日本東京工業大學的Pham Nam Hai副教授與美國加利福尼亞大學洛杉磯分校等合作，開發出了利用電子擁有的磁鐵特性（自旋）的MRAM（磁隨機存取記憶體）的節電技術，該技術將寫入所需的能量降至原來的1/100。目前尚處於初期階段，但作爲新一代節能型記憶體備受期待，今後計劃與半導體廠商合作，5年後實施實用化。
製作的元件俯視圖（圖片由東京工業大學提供）
東京工業大學制作的MRAM元件工作示意圖（圖片由東京工業大學提供）
MRAM根據自旋的方向存儲資訊，因此即使切斷電流源也不會丟失資訊。無需消耗用於保持存儲的電流，與現有記憶體DRAM和SRAM相比，有助於大幅實施節能。
在MRAM中，用來存儲資訊的是名爲「磁性隧道結（MTJ）」的存儲元件，它由磁性體（固定層）、絕緣體和磁性體（自由層）的三層結構組成。其工作機制是，透過改變自由層的自旋方向來寫入資訊，透過測量隨着自旋方向而改變的電阻來擷取資訊。
過去自由層的自旋方向是透過改變周圍的磁場或者流過使電子方向一致的電流來改變的。但利用這種方法寫入時需要大量的能源，其消耗的能源約爲DRAM和SRAM的10倍，寫入所需的時間也達到二者的5倍左右。
由於寫入需要大電流，電晶體的體積會變大，這是MRAM難以實施小型化的終極因數之一。
研究團隊此次研究了名爲「SOT-MRAM」的MRAM。向記憶體中寫入時利用名爲「自旋霍耳效應」的現象。當電流透過鉑和鎢等時，其垂直度方向會流入「純自旋流」，SOT-MRAM透過將其注入自由層來改變自旋方向，特點是能以很小的電流改變自旋。
爲了降低寫入所需的電力，需要同時實施比鉑和鎢等重金屬更高的自旋霍耳效應和高導電性。因此，研究團隊使用了作爲新材料備受關注的「拓撲絕緣體」。
這種物質的内部是類似絕緣體的狀態，但其表面可以像金屬一樣導電。在實驗中，研究團隊在MTJ上層疊拓撲絕緣體，應答能以低於以往的電流寫入。
Pham Nam Hai副教授介紹稱，目前「處於證明可以實施基本動作的階段，今後將開始實用化研究」。實際的MRAM不僅有存儲層，還有作爲存儲層的資訊判定標準的參考層等，更加複雜。今後打算以此次的成果爲基礎加速推進研發。
日文：松元則雄、《日經產業新聞》，2021/11/29
中文：JST客觀日本編輯部
