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STT-MRAM万能存储器芯片解析

STT-MRAM万能存储器芯片

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李杨

2021-1-6 15:06:55
传统存储器的技术局限以及不断缩小的制造尺寸所带来的巨大挑战促使科研人员开始寻找新一代存储器件，它应具有接近静态存储器的纳秒级读写速度，具有动态存储器甚至闪存级别的集成密度和类似Flash的非易失性存储特性。

“万能存储器”概念作为新一代存储器的要求被提出来。自旋转移矩—磁随机存储器器件（Spin Transfer Torque - Magnetic RandomAccess Memory：STT-MRAM）就是一种接近“万能存储器”要求的极具应用潜力的下一代新型存储器解决方案。

类比地球的公转与自转，微观世界的电子同时具有围绕原子核的“公转”轨道运动（电荷属性）、电子内禀运动（自旋属性）。STT-MRAM就是一种可以同时操纵电子电荷属性及自旋属性的存储器件。1988年，法国阿尔贝·费尔和德国彼得·格林贝格研究员通过操纵电子自旋属性实现了基于电子自旋效应的磁盘读头，使磁盘容量在20年间从几十兆比特（MB）暴增到几太比特（TB）。他们因此获得2007年的诺贝尔物理奖。


在读操作方面，磁随机存储器一般基于隧穿磁阻效应，在铁磁层1/绝缘层/铁磁层2三层结构中，当两层铁磁层磁化方向相同时，器件呈现“低电阻状态”，当两层铁磁层磁化方向相反时，器件呈现“高电阻状态”，且两个状态可以相互转化；在写操作方面，基于自旋转移矩效应，器件处于高阻态时，通自上而下的电流，反射的自旋多态电子会翻转易翻转层磁化方向，器件由低阻态变为高阻态；器件处于低阻态时，通自下而上的电流，隧穿的自旋多态电子会翻转易翻转层磁化方向，器件由高阻态变为低阻态。自旋转移矩效应已被验证可实现1纳秒以下的写操作。

STT-MRAM不仅接近“万能存储器”的性能，同时由于其数据以磁状态存储，具有天然的抗辐照、高可靠性以及几乎无限次的读写次数，已被美日韩等国列为最具应用前景的下一代存储器之一。

考虑到STT-MRAM采用了大量的新材料、新结构、新工艺，加工制备难度极大，现阶段其基本原理还不够完善，发明专利分散在各研究机构、公司中，专利封锁还未完全形成，正是国内发展该项技术的最好时机。

美国everspin已经推出了其mram存储器芯片产品，并被大量用于高可靠性应用领域。已开发出其大容量STT-MRAM测试芯片。宣布具备了STT-MRAM的生产能力。美日韩等国很有可能在继硬盘、DRAM及Flash等存储芯片之后再次实现对我国100%的垄断。我司英尚微Everspin一级代理商提供各种容量的MRAM芯片.
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