臺大工科系薛文証教授團隊開發次世代記憶體SS-MRAM獲MRAM-Info以及Nanowerk News報導

本校工程科學及海洋工程學系薛文証教授主持之電子與光電實驗室，開發出一種新型MRAM記憶體SS-MRAM (或稱SL-STT-MRAM)，最近分別獲得MRAM專業網站MRAM-Info，以及Nanowerk News報導。MRAM (magnetic random access memory)為非揮發性記憶體(non-volatile memory)，其讀寫是以自旋電子(spintronics)進行操作，與傳統記憶體比較，MRAM具有耗電較少、待機零耗電、非揮發、高耐用性和高密度等優勢。未來有可能發展成通用型記憶體(universal memory)，取代SRAM、 DRAM及Flash記憶體。在各類型MRAM中，目前以STT-MRAM (spin transfer torque MRAM)最受矚目。因此國內外半導體大廠也都積極投入STT-MRAM的研發與製造。

MTJ (magnetic tunnel junctions)為MRAM的單位記憶元，也是整個元件最核心的部分。MTJ構造為三明治結構，包含兩層鐵磁性金屬與中間極薄的勢壘層(potential barrier layer, PBL)，PBL為絕緣材料，MTJ之最主要性能為磁阻率(magnetoresistance ratio, MR ratio)。2001年Butler及Mathon首度預測，若PBL採用單晶(single crystalline)MgO(001)，MTJ之磁阻率理論上可達1000%。實驗已證實採用MgO(001)之MTJ，其磁阻率室溫下可達400-600%。至今MgO(001)仍為MTJ之PBL首選材料，也普遍應用於MRAM。雖然採用MgO(001)，能夠符合MRAM的基本需求。但是實際應用在STT-MRAM仍有若干問題，包含寫入模式之耗電偏高，而且單晶MgO比較不穩定，設計與製造都較複雜，另外，長期使用下，單晶MgO材料，容易逐漸劣化，使得性能降低。如何突破這些瓶頸，是目前MRAM研究的重要課題。

為了解決這些問題，電子與光子學實驗室研究團隊，開發一種新型MRAM，將傳統STT-MRAM之單晶MgO(001)，以超晶格(superlattice，或稱超材料)取代，稱為SS-MRAM (superlattice based STT-MRAM或SL-STT-MRAM)，其中超晶格是以非晶(amorphous)絕緣體與金屬組成的6層結構，如圖1所示。與傳統使用具單晶MgO之STT-MRAM比較，SS-MRAM具有以下優點：1. 降低寫入模式之耗電。SS-MRAM可大幅降低RA值，並提高電子自旋極化效率，可以減少90%以上的寫入耗電，解決目前MRAM寫入模式耗電偏高之問題。2. 提高讀取模式之性能。SS-MRAM之磁阻率可大幅提高10倍以上，因此可大幅提高讀取模式之性能，也可以減少90%以上的讀取耗電。3. 製造較簡單容易。SS-MRAM之絕緣體為非晶，不需製成單晶，而且新製程與傳統製程完全相容，製造較簡單。4. 元件長期使用不會劣化。因為非晶材料性質穩定，因此SS-MRAM不容易劣化。耐久性將大幅提升，達到SRAM或DRAM水準。

與傳統的STT-MRAM相比，SS-MRAM可將MRAM性能大幅提升，且具有低耗電，高性能，製造容易，又有超高的可靠性。可以同時解決目前傳統STT-MRAM所面臨的一些重要問題。此研究將有助於推展MRAM成為次世代通用型記憶體，以取代傳統SRAM、 DRAM及Flash記憶體。

圖說：
圖一：SS-MRAM核心記憶元超晶格MTJ之示意圖。圖中superlattice-barrier部分為超晶格勢壘層(PBL) ，由非磁性金屬(N)與非晶絕緣材料(I)構成。左右黃色部分為固定層及自由層，皆為鐵磁性金屬。
圖二：薛文証教授(前排右一)研究團隊合照。

新聞報導：
1. Ron Mertens, “New super-lattice SL-STT-MRAM enable faster and more efficient memory architecture,” MRAM-Info, Dec 23, 2019.
2. Nanowerk News, “A superlattice based STT-MRAM with extra-high performance,” Nanowerk, Jan 17, 2020.

已發表期刊及國際會議論文：
1. C. H. Chen and W. J. Hsueh*, 2014, “Enhancement of tunnel magnetoresistance in magnetic tunnel junction by a superlattice barrier,” Appl. Phys. Lett., Vol. 104, pp. 042405.
2. C. H. Chen, C. H. Chang, Y. H. Cheng, and W. J. Hsueh*, 2015, “Ultrahigh tunnel magnetoresistance using an artificial superlattice barrier with copper and aluminum oxide,” Europhys. Lett. Vol. 111, pp. 47005.
3. C. H. Chen, P. Tseng, C. W. Ko, and W. J. Hsueh*, 2017, “Huge spin transfer torque in a magnetic tunnel junction by a superlattice barrier,” Phys. Lett. A, Vol. 381, pp. 3124-3128.
4. P. Tseng and W. J. Hsueh*, 2018, “Enhancement of spin-transfer torque in superlattice-barrier magnetic tunnel junctions,” Global Conference on Magnetic and Magnetism Materials (GMMM 2018), July, 23-24, Osaka, Japan.
5. P. Tseng and W. J. Hsueh, 2019, “Ultra-giant magnetoresistance in graphene-based spin valves with gate-controlled potential barriers,” New J. Phys., Vol. 21, No. 113035.