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研究背景

磁壁移動記憶體為2008年由IBM所提出的新型記憶體概念[1]，所使用的原理為電流驅動磁壁移動(current induced domain wall motion)技術，最基本的電流磁壁移動來源為自旋移行力矩(spin-transfer torque, STT)驅動[2-3]，其原理顯示於圖一。如圖一(a)所示，在一個磁性體導線中，因材料內部不同的磁矩(magnetic moment)方向，會形成不同的磁區(magnetic domain)，而磁區間的磁矩旋轉區域則稱為「磁壁 (domain wall)」。當我們對磁導線通入電子流，起初電子流內部的電子自旋方向是散亂的，而當通過磁性體時，因為自旋偏振的關係，形成朝向特定方向的自旋電子流，而流入與流出的電子流出現了自旋方向差，如圖一(b)所示，這樣的自旋方向差基於系統之角動量守恆，將變化的角動量轉移至磁矩上，便是所謂的自旋移行力矩(spin-transfer torque, STT)。如果轉移的角動量夠大，亦即注入的電子流密度夠大，即可形成磁壁移動，如圖一(c)所示。

圖二為IBM所提案的磁壁移動記憶體概念圖，圖二(a)為2008年最早提案的版本[1]，圖二(b)則為2015年提案的改良版[2]。除了長相不同以外，基本上概念是一致的。我們將磁區的N極方向定義為邏輯1，將磁區的S極方向定義為邏輯0，並且在磁導線的某處設寫入頭，我們可以利用電流產生磁場，去對磁導線進行磁區1或0的寫入，而在導線另一側設置「磁穿隧接面元件(Magnetic tunnel junction, MTJ)」來讀取其接觸的導線磁區邏輯，如需移動磁導線的磁區，我們可以透過加入電流來引發「磁壁移動」，以此來移動所需的磁區至MTJ讀取頭進行資料的讀取。

然而，磁壁移動記憶體至今仍有幾個主要問題尚未被解決，其一．一般磁導線磁壁的大小決定於磁性材料的兩大特性：磁矩交互作用 (magnetic exchange stiffness, Aex) 以及單軸異向性 (uniaxial magnetic anisotropy, Ku)，以一般常見的鐵磁性材料Co來說，此兩項特性決定了Co薄膜磁壁大小大約在6 nm左右 [3]，且無法輕易改變，這樣的狀況限制了單位長度磁導線可儲存的位元數 (bit)，而影響了元件的可應用性。其二 ． 使移動的磁壁停止在適當的位置是相當困難的，這取決於磁導線中是否有設計足夠使磁壁停止的牽制位址 (pinning site)，此位址通常是利用創造磁導線各區段中不同的磁異向性來達成，以目前常見的磁壁移動研究，通常是採用一種溝渠狀的設計 (notch pinning site) 來達到使磁壁停止的效果，如圖三 [1] 所示，然而，此牽制位址相當難以製作，會增加元件量產的複雜度。其三 ． 目前磁壁移動所需的臨界驅動電流 (critical current density)依然過大，日前儘管透過自旋軌道力矩 (spin-orbit torque)[4]、以及引入新材料的方式[5]，大致上磁壁移動的驅動電流仍維持在10的11次方安培/米平方以上。

有鑑於此，本研究提出一中特殊形式的磁壁移動記憶體結構，相較於一般一個磁導線由一組固定鐵磁材料所組成，本研究設計一種以多層膜方式所組成的「人工鐵磁性導線」，我們利用微磁模擬的方式來研究此結構之可行性，結果顯示，磁壁的大小可藉由調整各層的參數來調變、並且能精準控制磁壁的位置、且能有效降低驅動電流至10的10次方安培/米平方。除此之外，本研究也發現此結構基於 自旋移行力矩的驅動方式，具有磁場與電流驅動時並存「雙能障系統 (two barrier system)」的特性，可讓此磁壁移動記憶體同時具備低電流與高熱穩定性的特性，成為能加速磁壁移動記憶體走向應用的關鍵技術。

研究內容

本研究提出一種特殊形態的磁壁移動導線，稱之為 「人工鐵磁性導線」 ，其基本結構如圖四(a)所示，圖四(a)所示為一個多位元儲存的記憶體晶胞(multi-bit storage memory cell)，下方為字元線(word-line)，採用重金屬材質，如Pt、Ta等，上方為一般金屬導線位元線(bit-line)，其間藍綠相間的圓柱體則為此「人工鐵磁性導線」，此導線由藍與綠兩種不同材質的鐵質性材料堆疊而成，藍色層稱為「強交換層 (strong coupling layer)」，具有相對強的磁矩交互作用與具備垂直磁氣異向性(magnetic anisotropy)，用以儲存位元；而綠色層介於藍色層間，稱為「弱交換層 (weak coupling layer)」，具有相對弱的磁矩交互作用與具備水平磁氣異向性，用以儲存磁壁。

本記憶體操作如圖四(b)、(c)、(d)所示，本記憶體目前只設計共11層膜的結構，最初階段如圖四(b)，我們對整個導線施以-z方向的磁場，將所有記憶內容抹除 (erase)，當我們要寫入(program)記憶時，可透過對字元線加入電流波，如圖四(c)所示，以引起重金屬－鐵磁性體間的自旋軌道力矩來翻轉強交換層layer1，layer1的磁化被反轉至+z方向，我們稱其為 logic 1。而因為弱交換層layer2介於兩反向磁化的強交換層間，故磁化轉為水平，成為此記憶體所定義的「人工磁壁」。

當我們要移動此記憶體晶胞所儲存的位元，我們可以對此導線注入適當的電流脈波，利用自旋移行力矩的方式將logic 1翻轉至適當的位置，如圖四(d)所示，我們將logic 1由layer1翻轉至layer7，因此layer8形成新的磁壁，等效上可稱磁壁由layer2移動至layer8，此為一特殊概念的磁壁移動記憶體。

接著我們利用Mumax3 微磁模擬軟體來研究此記憶體提案是否可實現，我們是否可以透過這樣的操作來達成人工鐵磁性導線的磁壁移動。我們給定適當的強交換膜與弱交換膜的參數，並且設定適當的電流密度與時脈寬度(4E10 A/m2, 5ns)，可得到連續性的磁壁移動結果，如圖五所示。從此結果我們可發現，此磁壁可完全被控制在弱交換層當中，此結果證明此磁壁記憶體提案能夠有效的控制磁壁記憶體的磁壁位置，優於傳統的磁壁移動導線。

本研究亦發現到透過調變弱交換層的磁矩交換常數Aex，可以改變磁壁的大小，如圖六所示，若我們將弱交換層的Aex控制在3 pJ/m以下，便可將磁壁完全控制在單層的弱交換層以內，以本研究所設定之弱交換層單層膜後為3 nm，比起一般Co的磁壁6 nm小上許多。本研究顯示此提案的記憶體其磁壁是可調變的，並且此記憶體可具備超薄的磁壁大小，有助於提升磁壁記憶體中因為磁壁而造成儲存密度無法有效提升的問題。

我們研究了弱交換層的磁矩交換常數Aex與磁壁移動臨界驅動電流Jc的關係，如圖六所示，結果顯示， 當我們提升弱交換層的磁矩交換常數Aex至大於2 pJ/m以上，可得到低於1E11 A/m2的臨界驅動電流，模擬所顯示的驅動電流是能夠使磁壁越過本質能障(intrinsic pinning)的驅動電流，因此在實務上具有重要的物理意義。而從圖六也可以看出，當Aex由1 pJ/m 提升為 2 pJ/m時，其驅動電流出現了非常顯著的陡降。

為了研究此陡降的物理意義，我們針對其磁壁層在不同磁矩交換常數Aex的情況研究其層內的磁矩變化，我們發現，當磁壁層(弱交換膜)的Aex小於1 pJ/m時，其磁矩會呈現螺旋狀vortex，如圖七(b)所示，以保持整體能量最低，而因 vortex 的磁矩其整體等效磁化為零，這表示當外加電流通過時，沒有磁化與自旋的交互作用，因此無法順利形成自旋移行力矩STT，去推進磁壁移動，因此需要極大>1E12 A/m2的驅動電流來破壞 vortex 的結構以達到磁壁移動的目的。

然而若磁壁層的Aex大於2 pJ/m，我們會發現磁壁層的磁矩傾向朝同一方向偏轉，稱之為Single domain，因為其整體的磁化方向不為零，表示低電流也能在磁壁層內產生足夠量的 自旋移行力矩 STT，也因此低驅電流便有機會推動磁壁移動。

在另一研究中，我們研究了此記憶體結構在電流與磁場驅動下的行為，以及其臨界驅動電流Jc和臨界驅動磁場Hdepin與強交換膜單軸磁氣異向性Ku大小的關係，此結果顯示如圖八。結果表示，當Ku介於1E5 至 1E6 J/m3間的時候，其臨界驅動電流密度 Jc幾乎不變，而臨界驅動磁場Hdepin卻產生極大的變化，這暗示著我們可以利用調變強交換膜的材料Ku，來達成低臨界驅動電流與高臨界驅動磁場的目的，高臨界驅動磁場意味著「高熱穩定性」，意味著此記憶體結構能夠輕易達成低驅動電流與高可靠度的成果，此將有助於磁壁移動朝向商業化的發展。關於驅動電流與驅動磁場的臨界值影響差異，我們可以用自旋移行力矩系統的雙能障[6]，以及理論計算中的強弱能障區域[7]來解釋。

本研究結果發表論文

[1] Yu Min Hung, Tian Li, Ryusuke Hisatomi, Yoichi Shiota, Takahiro Moriyama, T. Ono, J. Magn. Soc. Jpn. 45, 6 (2021).
[2] Yu Min Hung, Yoichi Shiota, Ryusuke Hisatomi, Takahiro Moriyama, T. Ono, Appl. Phys. Express, 14, 023001 (2021).

參考文獻

[1] S. Parkin, M. Hayashi, and L. Thomas, Science 320, 190 (2008).
[2] S. Parkin, and S.-H. Yang, Nat. Nanotechnol. 10, 195 (2015).
[3] L. Thomas, M. G. Samant, and S. S. P. Parkin, Phys. Rev. Lett., 84, 1816 (2000).
[4] S.-H. Yang, and S. Parkin, J. Phys.: Condens. Matter. 29, 303001 (2017).
[5] D. Bang, P. V. Thach, and H. Awano, J. Sci. Adv. Mater. Dev., 3, 389 (2018).
[6]  K.-J. Kim, R. Hiramatsu, T. Koyama, K. Ueda, Y. Yoshimura, D. Chiba, K. Kobayashi, Y. Nakatani, S. Fukami, M. Yamanouchi, H. Ohno, H. Kohno, G. Tatara, and T. Ono, Nat. Commun. 4, 2011 (2013).
[7] G. Tatara, and H. Kohno, Phys. Rev. Lett. 92, 086601 (2004).