Förmågan att på ett tillförlitligt sätt ändra riktningen på den magnetiska inriktningen i material, en process som kallas magnetiseringsomkoppling, är känd för att vara central för funktionen hos de flesta minnesenheter. En känd strategi för att uppnå detta innebär att man skapar en rotationskraft (dvs. vridmoment) på elektronernas spinn via en elektrisk ström, en fysikalisk effekt som kallas spinn-bana-vridmoment (SOT).
Informationslagringsenheter som bygger på denna effekt kallas spin-orbit torque magnetic random-access memories (SOT-MRAM). Dessa minnessystem har visat sig ha flera betydande fördelar, såsom förmågan att behålla data även när strömmen är avstängd, snabb växling jämfört med andra befintliga minneslösningar och låg strömförbrukning.
Forskare vid National Yang Ming Chiao Tung University, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Industrial Technology Research Institute och andra institut har nyligen utvecklat ett nytt SOT-MRAM baserat på kompositmaterial som innehåller tungmetallen volfram, som är känd för sin starka spinn-bana-koppling. Deras minnesenhet, som presenterades i en artikel publicerad i Nature Electronics, kan tillverkas med hjälp av befintliga processer för storskalig produktion av halvledare.
”Vår motivation kom från behovet av ett verkligt strömsnålt, snabbt och pålitligt minne för att stödja nästa generations databehandling”, berättade Yen-Lin Huang, försteförfattare till artikeln, för Tech Xplore. ”Även om spin-orbit torque MRAM länge hade föreslagits, var utmaningen att demonstrera nanosekundomkoppling, lång lagringstid och storskalig integration under processer som är kompatibla med halvledarindustrin.”
Huvudsyftet med den senaste studien av Huang och hans kollegor var att utveckla ett MRAM som samtidigt kan uppnå hastighet och uthållighet, men som också kan tillverkas med hjälp av processer som är allmänt använda inom elektronikindustrin. Den minnesenhet de skapade lagrar information i ett tunt ferromagnetiskt skiktets magnetiseringsriktning.
Forskargruppen från prof. Huang vid National Yang Ming Chiao Tung University. Källa: Yen-Lin Huang, NYCU.
”I stället för att använda ett magnetfält använder vi spinn-bana-vridmoment – en ström genom ett volframskikt genererar spinn som vänder magnetiseringen inom ~1 ns”, förklarade Huang.
”Jämfört med DRAM och Flash kombinerar vårt MRAM icke-flyktighet (som Flash) med nanosekundhastighet (som DRAM), men med mycket lägre effekt och utan behov av uppdateringscykler. Det unika här är att stabilisera volframfasen för att leverera både hög spinneffektivitet och industriell integration.”
Forskarna realiserade en prototyp av sitt minne, med en 64 kilobit (kb) array, och utvärderade sedan dess prestanda under förhållanden som motsvarar verkliga tillämpningar. SOT-MRAM visade sig uppnå en anmärkningsvärd omkopplingshastighet på 1 ns och en retentionstid på över 10 år.
”Vi stabiliserade en fas av volfram som vanligtvis är svår att kontrollera men som är avgörande för spinneffektiviteten upp till 700 °C”, säger Huang. ”Vår studie visar att SOT-MRAM kan skalas upp till cacheminne på chip och inbyggt minne, vilket möjliggör energieffektiv AI och edge computing där både hastighet och icke-flyktighet är viktigt.”
Det senaste arbetet av Huang och hans kollegor kan öppna nya möjligheter för skalbar och storskalig tillverkning av högpresterande SOT-MRAM baserade på β-fas volfram. I framtiden kan andra forskarteam bygga vidare på denna studie för att utveckla andra minnessystem som är snabba, stabila och kompatibla med befintliga tillverkningsprocesser.
”Vi siktar nu på att gå från proof-of-concept-matriser till megabit-klassintegration, samtidigt som vi ytterligare minskar skrivströmmen till under sub-picojoule/bit-nivåer”, tillägger Huang. ”På den fysiska sidan utforskar vi nya oxid- och 2D-gränssnitt för att öka effektiviteten och tillförlitligheten ytterligare. En annan riktning är demonstrationer på systemnivå – som visar hur MRAM kan minska den totala effekten i AI-acceleratorer och mobila enheter.”
Mer information: Yen-Lin Huang et al, A 64-kilobit spin–orbit torque magnetic random-access memory based on back-end-of-line-compatible β-tungsten, Nature Electronics (2025). DOI: 10.1038/s41928-025-01434-x.
