MRAM，新突破

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自aoI

颠覆传统写入，MRAM 能耗降至新阈值。

近年来，受传统系统改进需求的推动，存储器技术发展迅速。磁阻随机存取存储器(MRAM) 作为一种颇具前景的候选技术，正日益受到关注，成为 DRAM 等标准易失性存储器的有力替代品。

MRAM 因其无需电源即可保存数据的能力而脱颖而出。它还具有更高的耐用性，并且与 CMOS 芯片完美兼容。这些特性使其成为兼顾可靠性和能效的应用的理想之选。然而，一个问题依然存在——如何降低数据写入过程中的能耗。

《先进科学》（Advanced Science）杂志最近发表的一项研究采用一种新方法解决了这个问题。该团队没有依赖通常的电流驱动方法，而是探索了基于电场的技术。这种方法可能是解决MRAM功耗问题的关键。

大阪大学的研究团队提出了一种基于多铁性异质结构的新概念。这些结构采用结合了不同电学和磁性的层状材料。他们的方法显著降低了写入过程中的能量需求，使MRAM更接近低功耗的现实。

Co2FeSi/V/PMN-PT(011)异质结构的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜 (HAADF-STEM) 图像和能量色散X射线能谱 (EDX) 元素图，其中区域轴为 PMN-PT[100]。(来源：Advanced Science)

电场切换和功耗

传统的MRAM 工作原理是利用自旋转移矩 (STT) 或自旋轨道矩 (SOT) 实现磁化切换。这些方法需要电流通过铂或钨等致密金属。虽然速度快且可扩展，但它们会通过焦耳热浪费大量能量，将电能转化为不必要的热量。

为了避免这些损失，科学家们开始测试基于电场(E) 的开关。这种方法无需强电流即可调整磁化强度。早期的研究主要集中在半导体或介电层上的薄铁磁体上。但这些设计通常需要额外的磁场，这使得它们在现实世界的高温环境中不太实用。

为了获得更好的结果，研究人员转向了多铁性材料。这种材料结合了铁磁层和压电层。这种层状结构对电场响应良好，并且在室温或更高温度下性能可靠。最重要的是，它不需要任何外部磁场。

大阪团队采用了一种名为Co₂FeSi的Heusler合金，并搭配一种名为PMN-PT的压电材料。他们在两者之间插入了一层非常薄的钒。这一细微的调整有助于生长出高度取向的(422)Co₂FeSi薄膜——这是实现更强的电控磁化的关键一步。

钒插入增强磁电效应

这种微调使得所谓的逆磁电效应(CME) 取得了巨大的飞跃。CME 效应发生在电场改变磁化强度时。在这项研究中，耦合系数超过了 10⁻⁵ s/m——这是一个显著的里程碑。通过调整钒和 Co₂FeSi 层的厚度，该团队仅使用电场就实现了稳定的磁化控制。

主要作者Takamasa Usami 解释说：“由于 MRAM 设备依赖于电容器中的非易失性磁化状态而不是易失性电荷状态，因此就待机状态下的低功耗而言，它们是 DRAM 的有前途的替代品。”

Co2FeSi/V/PMN-PT(011)异质结构示意图。电场垂直施加于Co2FeSi/V/PMN-PT异质结构平面。（来源：Advanced Science）

PMN-PT 基板具有强大的压电特性，其应用是本研究不可或缺的一部分。这些材料能够在压电层和铁磁层之间实现高效的应变传递，从而促进电场诱导的磁化强度变化。这种方法与早期依赖高温处理的方法截然不同，因为高温处理通常会降低压电性能。

这项研究最引人注目的成果之一是在零电场下实现了非易失性二进制状态。通过操控电场的扫描操作，研究人员演示了两种不同的磁化状态，这些状态无需额外能量输入即可保持稳定。这一特性满足了实用MRAM器件的一个关键要求，即在最低功耗下实现稳定的数据存储。

室温及以上磁化控制

这些状态的稳定性源于钒插入促进的(422)Co2FeSi层的精确生长。X射线衍射测量证实了结构波动的不存在，从而确保了整个器件的磁性能一致性。这一进步与之前的设计形成了鲜明对比，之前的设计存在平面结构不一致的问题，从而限制了其可靠性。

对放大的HAADF-STEM图像进行高分辨率分析。（来源：Advanced Science）

此外，扫描透射电子显微镜(STEM) 分析揭示了异质结构的原子结构。这些图像揭示了 Co2FeSi 层和 PMN-PT 层之间清晰均匀的界面，凸显了钒插入在促进外延生长方面的有效性。

资深作者Kohei Hamaya 指出，“通过精确控制多铁性异质结构，可以满足实现实用磁电 MRAM 器件的两个关键要求，即零电场的非易失性二元状态和巨大的 CME 效应。”

这项研究的意义远不止于节能存储器。所展示的多铁性异质结构不仅降低了功耗，还增强了MRAM的可扩展性和可靠性。通过消除对大电流的需求，该技术减轻了发热和材料性能的下降，为实现耐用型存储设备奠定了基础。

可扩展、低功耗、CMOS兼容

此外，将多铁性异质结构集成到现有制造工艺中是一项显著优势。这些材料与CMOS技术的兼容性确保了它们可以集成到各种电子设备中，而无需进行大量的重新设计。

图(a) 和 (b) 分别为 Co2FeSi(30 nm)/V(tV nm)/PMN-PT(011) 和 Co2FeSi(tCFS nm)/V(0.6 nm)/PMN-PT(011) 条件下不同 tV 和 tCFS 的室温代表性磁致伸缩 (MH) 曲线。图 (c) 和 (d) 分别为估算的 Kg 与 tV 和 tCFS 的关系。（来源：Advanced Science）

这些器件能够在室温及以上温度下实现稳健的性能，适用于从消费电子产品到工业系统的广泛应用。例如，可穿戴医疗设备既需要低功耗，又需要可靠的性能，因此可以从这项技术中受益匪浅。

这项突破也凸显了磁电MRAM（ME-MRAM）作为自旋电子学领域一项变革性技术的潜力。电场驱动开关与非易失性的结合符合现代计算的需求，为高能耗存储器解决方案提供了一种可持续的替代方案。

未来的发展可能集中在进一步减少铁磁层的厚度、提高速度以及进一步降低功率需求。

多铁性MRAM为自旋电子学开辟了新途径

随着大阪大学团队不断完善设计，MRAM 的未来前景愈加光明。将多铁性异质结构集成到实际器件中，或将彻底改变存储器，实现节能、高容量的系统，以满足下一代计算的需求。此外，本研究展示的原理或将启发其他自旋电子学应用的新方法，包括逻辑器件和传感器。

这项研究也强调了跨学科合作对于推进存储技术的重要性。通过结合材料科学、物理学和工程学的专业知识，研究人员为满足日益增长的数字存储需求，开辟了一条可持续且可扩展的解决方案之路。

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