次世代非挥发性内存——磁阻随机存取内存(MRAM)由于兼具快速读取/写入、高密度与低成本等优势，一直是各大内存厂商竞相投入的重点技术。特别是随着以自旋转移扭矩(spin-transfer torque；STT)为架构的MRAM预计在今年量产，另一种更高效转移磁矩方向的自旋轨道扭矩(spin-orbit torque；SOT)架构正被看好成为制造下一代MRAM的替代方案。
然而，当内存单元不断微缩至更小尺寸，可能会在其三端式磁穿隧接面(MTJ)结构形成挑战，甚至影响热稳定度。
STT-MRAM (左) vs. SOT-MRAM (右)（来源：清华大学）
由清华大学材料系与物理系跨领域合作的研究团队，成功利用电子自旋流操控铁磁-反铁磁奈米膜层的磁性翻转，证实了电流脉冲引发的垂直交换偏置(exchange bias)能够克服热稳定性的挑战，可望成为新一代MRAM的核心架构，打造出读写速度更快、更省电、断电时信息也不流失的「不失忆内存」。
这项被誉为「梦幻内存」的研发成果已刊登于最新一期(108年2月19日)《自然材料》(Nature Materials)期刊的「透过自旋轨道扭矩(SOT)操控交换偏压」(Manipulating exchange bias by spin-orbit torque)一文中。
根据研究人员解释，磁性内存的结构就像三明治，其上是自由翻转的铁磁层，可快速处理数据；底层是像被夹子固定住的磁铁，负责储存数据；中间则以氧化层隔开。当电子向上或向下自旋时，分别储存为0与1。
然而，这些小磁铁在室温下因热能的关系并不稳定，必须「黏」上一层反铁磁层，才能锁定磁铁的磁矩方向，即「交换偏压」。但交换偏压的操控性有限，必须将组件升温，然后于外加磁场下降温，才能改变铁磁层磁矩的钉锁方向。而无论是外加磁场或是升降温度，都与现有电子组件的操作格格不入，其突破点之一就在于善用电荷流动时产生的自旋流。
清华大学材料系教授赖志煌与物理系教授林秀豪即提出了使用自旋电子流，来操控交换偏压，突破以往只能用磁场退火来改变的限制。经过多次实验尝试后，研究人员们找到了灵活控制磁铁夹子的方法，即在磁铁结构上再加一层薄仅几奈米的白金，利用它的自旋轨道耦合作用产生自旋流，就能快速又准确地翻转被固定住的小磁铁。
铁磁层(FM)磁化和交换偏置的SOT切换机制（来源：nature.com）
赖志煌说：「就像在保龄球道上，只要加点磨擦力，就可以轻易改变旋转球的前进方向，进而推倒球瓶。」
但这看似简单却有效的办法，过去为何没有科学家想到？根据这项研究的第一作者——清华大学博士生林柏宏解释，这还让他们在投稿国际期刊时被评审委员怀疑是否为实验受到热源影响的「误会」，后来经证实的确是自旋电子自然产生的高温所致，才得到学界顶尖期刊认可。
随着STT-MRAM将在今年量产，赖志煌表示，清华大学团队以电子自旋流操控铁磁-反铁磁奈米膜层的磁性翻转机制，可望成为下一代MRAM——SOT-MRAM的核心技术，并预计最快将在3年后量产。
（原文发表于ASPENCORE旗下EDN姐妹媒体EETTaiwan，参考链接：创新磁性翻转机制突破技术瓶颈）
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