Wetenschappers nemen een ‘draai’ naar magnetoresistieve RAM

Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM) is de beste kandidaat voor de volgende generatie digitale technologie. Het efficiënt en effectief manipuleren van MRAM is echter een uitdaging. Een interdisciplinair onderzoeksteam aan de National Tsing Hua University (NTHU) in Taiwan, geleid door prof.Chih-Huang Lai, afdeling Materiaalkunde en Engineering, en prof.Hsiu-Hau Lin, afdeling natuurkunde, heeft nu een doorbraak bereikt. Door een laag platina toe te voegen van slechts een paar nanometer dik, genereert hun apparaat spinstroom om de vastgezette magnetische momenten naar believen te schakelen – een taak die nog nooit eerder is volbracht. Voor sneller lezen en schrijven, minder stroomverbruik en het behouden van gegevens door stroomuitval is MRAM bijzonder veelbelovend.

Op dit moment wordt informatieverwerking in digitale apparaten voornamelijk uitgevoerd met behulp van dynamisch willekeurig toegankelijk geheugen (DRAM), maar het verbruikt veel stroom en stuit op grote hindernissen wanneer het in omvang wordt verkleind. DRAM gebruikt de lading van elektronen. ‘Maar elektronen hebben zowel lading als spin’, zei Lai. “Waarom kan men niet met elektronenspin werken om MRAM te manipuleren?” Om het idee in praktijk te brengen, vormden Lai en Lin een interdisciplinair onderzoeksteam met promovendi Bohong Lin en Boyuan Yang.

Lin legde uit dat de structuur van MRAM als een sandwich is. De bovenste laag bestaat uit een vrij draaiende magneet die wordt gebruikt voor gegevensberekening, terwijl de onderste laag bestaat uit een vaste magneet die verantwoordelijk is voor de gegevensopslag. Deze twee lagen zijn gescheiden door een oxidelaag.

De uitdaging is om deze lagen elektrisch te wisselen. Na een lange reeks experimenten vonden ze succes met een nanometerdun laagje platina. Vanwege spin-baaninteracties drijft de elektrische stroom eerst de collectieve beweging van elektronenspins aan. De spinstroom schakelt vervolgens het vastgezette magnetische moment effectief en nauwkeurig.

In de afgelopen jaren heeft NTHU interdisciplinaire samenwerking bevorderd, zoals het MRAM-onderzoek van materiaalexpert Lai en fysicus Lin.

Grote internationale bedrijven streven naar MRAM-technologie, waaronder TSMC, Intel en Samsung. Het is waarschijnlijk dat de massaproductie van MRAM met hoge dichtheid ergens dit jaar zal beginnen, een ontwikkeling waarbij het onderzoeksteam onder leiding van Lai en Lin een sleutelrol heeft gespeeld.

Het onderzoeksteam breidt momenteel hun baanbrekende ontdekking uit naar andere structuren, en hun bevindingen zullen naar verwachting grote gevolgen hebben voor de ontwikkeling van geheugentechnologie. Volgens Lai zal de ontwikkeling van MRAM-technologie een beslissende invloed hebben op de toekomstige groei en evolutie van de halfgeleiderindustrie in de wereld.