大阪大学新研究：MRAM设备低能耗数据写入新技术

近日，大阪大学研究人员在《先进科学》杂志上发表了一项关于磁阻RAM（MRAM）设备的研究成果，该研究提出了一种用于MRAM设备、具有低能耗数据写入的新技术。

在当前的主流存储器技术领域中，传统动态随机存取存储器（DRAM）存在诸多局限性，例如虽然读写速度快，但功耗较大、存储容量低、成本偏高，并且在断电情况下无法保存数据，这使得其使用场景受限；而NAND Flash存储器的读写速度较低，其存储密度明显受到工艺制程的限制。随着科技发展，为了突破DRAM、NAND Flash等传统存储器技术的局限，存储技术不断创新发展，新型存储技术逐渐受到广泛关注。

磁阻RAM（MRAM）便是众多新型存储技术中的一种具有潜力的类型。与传统RAM相比，MRAM具备多种优势，像非挥发性（能够保存数据而不需要持续供电）、高速运行、存储容量具备增长潜力以及耐用性有所增强等。然而，MRAM设备也面临着一些技术挑战，其中降低数据写入过程中的能耗尤为关键。

大阪大学研究人员提出的这项新技术为解决MRAM设备写入能耗问题带来了新的可能。目前，现有的MRAM器件大多需要电流来切换磁隧道结的磁化矢量，这一过程类似于DRAM器件中切换电容器电荷状态的操作。但在数据写入过程中，由于需要较大的电流来切换磁化矢量，这必然会产生焦耳热，从而消耗大量能量。而大阪大学的研究成果是开发了一种用于控制MRAM器件电场的新元件。

这种新元件的关键技术是一种多铁异质结构，该结构的磁化矢量能够通过电场进行切换。其中，异质结构对电场的响应可通过逆磁电（CME）耦合系数来衡量，数值越大意味着磁化响应越强。研究人员之前的研究中，曾报道过一种多铁异质结构，其CME耦合系数超过10⁻⁵s/m。不过，这种结构中的铁磁层（Co₂FeSi）部分存在结构波动，这一波动使得实现所需的磁各向异性变得困难，进而阻碍了可靠的电场操作。


界面多铁性结构示意图

为了解决这一问题，研究人员进一步开发了新技术，在铁磁层和压电层之间插入一层超薄的钒层。通过插入这一钒层，能够实现清晰的界面，可有效地控制Co₂FeSi层中的磁各向异性。此外，这种改进后的结构，其CME效应所达到的值大于不包含钒层的类似设备所达到的值。而且研究人员还证明，借助改变电场的扫描操作，能够在零电场的情况下可靠地实现两种不同的磁状态，即在零电场下有意实现非易失性二元状态。


铁磁 Co2FeSi 层/原子层/压电层界面的原子图像。左侧的结构使用 Fe 原子层，而右侧显示的 V 层清晰可见，促进了上方铁磁Co2FeSi层的晶体取向。

这一研究成果表明，通过精确控制多铁异质结构，能够满足构建实用的磁电（ME） - MRAM设备的两个关键要求，也就是具备零电场的非易失性二元状态和较大的CME效应。如果这种基于电场写入方案的MRAM设备能够成功实现商业化生产，将有可能为传统RAM提供有效的替代方案，这对于推动存储器技术的发展有着重要意义。

需要注意的是，目前新型存储市场主要侧重于低延迟存储与持久内存方面，虽然在性能等方面展现出潜力，但还不足以替代DRAM和NAND闪存占据的主流市场地位。不过，随着5G时代的发展，物联网、人工智能、智慧城市等应用市场不断拓展并对存储器提出多样化需求，同时传统存储器市场价格波动等因素影响，新型存储器在未来的市场将发挥更为重要的作用。