清大突破MRAM關鍵瓶頸 全球首例
【記者周家仰/台北報導】 2019/03/15

▲左起科技部工程司長徐碩鴻、清大研發長曾繁根教授、清大物理學系教授林秀豪、清大材料科學工程學系教授賴志煌、科技部政務次長謝達斌、清大材料科學工程學系林柏宏、科技部自然司長林敏聰。(記者周家仰攝)
科技部昨(十三)日舉行「不失憶的記憶體-全球首例自旋流解密MRAM關鍵瓶頸」研究成果發表記者會,由清大材料科學工程學系教授賴志煌與清大物理學系教授林秀豪所帶領的研究團隊,在科技部長期的支持下,研究MRAM的特性、製程與操控,獨步全球,成功以自旋流操控鐵磁|反鐵磁奈米膜層的磁性翻轉,研究成果於今(一○八)年二月十九日刊登於材料領域頂尖期刊《自然材料》(Nature Materials),賴志煌教授預言,「能掌握磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)即能掌握未來」,且今年很有可能就會有國際大廠推出相關產品。

賴志煌教授指出,是什麼樣的記憶體技術,讓全球各半導體大廠如三星、東芝、英特爾等摩拳擦掌紛紛投入,準備在後摩爾定律世代一較高下?答案是磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)。

它是一種非揮發性記憶體技術,也就是斷電時,利用奈米磁鐵所儲存的資料並不會流失,是「不失憶」的記憶體。時下電腦、平板、手機在生活中處處可見,背後運作的核心功能,即為資訊處理與儲存。開發適當電子元件,既可同時快速處理資訊,又能穩定儲存資訊,吸引學界、業界各領域專家相繼投入,其中MRAM是極被看好的「後摩爾定律世代的記憶體」。其結構有如三明治,上層是自由翻轉的鐵磁層,可快速處理資料,底層則是釘鎖住的鐵磁層,可用作儲存資料,兩層中則有氧化層隔開。當此二鐵磁層的磁化方向相同,是低電阻態,代表「1」;此二鐵磁層的磁化方向相反,是高電阻態,代表「○」。有別於目前主流記憶體(SRAM與DRAM),MRAM兼具處理與儲存資訊功能,且斷電時資訊不流失,電源開啟可即時運作,耗能低、讀寫速度快,是看好明日之星。

他表示,其中一個技術關鍵,就是如何操控釘鎖住的鐵磁層。如要將鐵磁層的磁矩方向釘鎖住,簡單卻神奇,只需「黏」上一層反鐵磁層即可,製成的鐵磁-反鐵磁膜層即可應用在磁記憶體上。此現象稱為「交換偏壓」,雖發現至今已超過六十年,其應用性極廣,但背後的物理機制未明。

目前研究團隊將此突破性的發現,應用到其它結構的奈米膜層,陸續發現更多具影響力的結果,除學術貢獻外,經由科技部半導體射月計畫的連結,將對國內記憶體產業發展有決定性影響力。這項技術在學理上的存取速度接近SRAM,具快閃記憶體非揮發性特性,平均能耗遠低於DRAM,應用於嵌入式記憶體(Embedded Memory)極具潛力,隨著人工智慧、物聯網裝置與更多的資料收集與感測需求,MRAM的市場也將迅速成長。