一种新型存储技术问世

在当前主流的存储器技术中，DRAM 虽然速度快，但功耗大、容量低、成本高，且断电无法保存数据，使用场景受限；NAND Flash 读写速度低，存储密度明显受限于工艺制程。

为了突破 DRAM、NAND Flash 等传统存储器的局限，存储器技术壁垒不断被突破，新型存储技术开始进入大众视野。

近年来，计算设备已出现多种类型的存储器，旨在克服传统随机存取存储器 (RAM) 的限制。磁阻 RAM (MRAM) 就是这样一种存储器类型，它比传统 RAM 具有多种优势，包括非挥发性、高速、存储容量增加和耐用性增强。尽管 MRAM 设备已经取得了显著的改进，但降低数据写入过程中的能耗仍然是一项关键挑战。

大阪大学研究人员最近在《先进科学》杂志上发表的一项研究 提出了一种用于 MRAM 设备、具有低能耗数据写入的新技术。与目前基于电流的方法相比，该技术可以实现基于电场的写入方案，能耗更低，有可能为传统 RAM 提供替代方案。

传统动态 RAM (DRAM) 设备具有由晶体管和电容器组成的基本存储单元。但是，存储的数据是易失性的，这意味着需要输入能量才能保留数据。相比之下，MRAM 使用磁状态（例如磁化方向）来写入和存储数据，从而实现非易失性数据存储。

「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，因此在待机状态下功耗较低，是 DRAM 的有前途的替代品，」该研究的主要作者 Takamasa Usami 解释道。

目前的 MRAM 器件一般需要电流来切换磁隧道结的磁化矢量，类似于 DRAM 器件中切换电容器的电荷状态。然而，在写入过程中需要很大的电流来切换磁化矢量。这不可避免地会产生焦耳热，从而导致能耗。

为了解决这个问题，研究人员开发了一种用于控制 MRAM 器件电场的新元件。其关键技术是一种多铁异质结构，其磁化矢量可以通过电场切换（图 1）。异质结构对电场的响应基本上可以用逆磁电 (CME) 耦合系数来表征；数值越大表示磁化响应越强。

图 1. 界面多铁性结构示意图

研究人员此前曾报道过一种多铁异质结构，其 CME 耦合系数超过 10-5 s/m。然而，铁磁层 (Co2FeSi) 部分的结构波动使得实现所需的磁各向异性变得困难，从而阻碍了可靠的电场操作。为了提高这种结构的稳定性，研究人员开发了一种新技术，在铁磁层和压电层之间插入一层超薄的钒层。如图 2 所示，通过插入钒层实现了清晰的界面，从而可以可靠地控制 Co2FeSi 层中的磁各向异性。此外，CME 效应达到的值大于不包含钒层的类似设备所达到的值。

图 2 . 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。

研究人员还证明，通过改变电场的扫描操作，可以在零电场下可靠地实现两种不同的磁状态。这意味着可以在零电场下有意实现非易失性二元状态。

「通过精确控制多铁异质结构，可以满足实现实用磁电 (ME)-MRAM 设备的两个关键要求，即具有零电场的非易失性二元状态和巨大的 CME 效应，」资深作者 Kohei Hamaya 说道。

这项自旋电子器件研究最终可在实用的 MRAM 器件上实现，使制造商能够开发 ME-MRAM，这是一种低功耗写入技术，适用于需要持久和安全内存的广泛应用。

值得注意的是，当前的新型存储市场主要集中于低延迟存储与持久内存，还不具备替代 DRAM/NAND 闪存的能力，但在数据爆发式增长的时代下，新型存储凭借所具备的超强性能、超长寿命、可靠性及耐高温等优秀的特性，将有望成为存储器领域的新选择。

目前，从市场份额上看，传统存储器仍占据着绝大部分市场，但随着 5G 时代到来，带动物联网、人工智能、智慧城市等应用市场发展并向存储器提出多样化需求，加上传统存储器市场价格变化等因素，新型存储器将在市场发挥越来越重要的作用。