La SOT-MRAM à base de tungstène permet une commutation nanoseconde et un stockage de données à faible consommation

La capacité de changer de manière fiable la direction de l’alignement magnétique dans les matériaux, un processus connu sous le nom de commutation de magnétisation, est connue pour être essentielle au fonctionnement de la plupart des dispositifs de mémoire. Une stratégie connue implique la création d’une force de rotation (c’est-à-dire un couple) sur les spins des électrons via un courant électrique ; un effet physique connu sous le nom de couple spin-orbite (SOT).

Les dispositifs de stockage d’informations qui reposent sur cet effet sont appelés mémoires magnétiques à accès aléatoire à couple spin-orbite (SOT-MRAM). Ces systèmes de mémoire présentent divers avantages notables, tels que la capacité de conserver les données même lorsque leur alimentation électrique est coupée, une commutation rapide par rapport aux autres solutions de mémoire existantes et une faible consommation d’énergie.

Des chercheurs de l’Université nationale Yang Ming Chiao Tung, de la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, de l’Institut de recherche en technologie industrielle et d’autres instituts ont récemment développé une nouvelle SOT-MRAM basée sur des matériaux composites contenant du tungstène, un métal lourd connu pour son fort couplage spin-orbite. Leur dispositif de mémoire, présenté dans un article publié dans Électronique naturellepourrait être fabriqué via des procédés existants pour la production à grande échelle de semi-conducteurs.

“Notre motivation est venue du besoin d’une mémoire vraiment faible consommation, haute vitesse et fiable pour prendre en charge l’informatique de nouvelle génération”, a déclaré Yen-Lin Huang, premier auteur de l’article, à Tech Xplore. “Alors que la MRAM à couple spin-orbite était proposée depuis longtemps, le défi était de démontrer une commutation à la nanoseconde, une longue rétention et une intégration à grande échelle dans des processus compatibles avec l’industrie des semi-conducteurs.”

L’objectif principal de l’étude récente menée par Huang et ses collègues était de développer une MRAM capable d’atteindre simultanément vitesse et endurance, mais pouvant également être fabriquée à l’aide de procédés largement utilisés dans l’industrie électronique. Le dispositif de mémoire qu’ils ont créé stocke les informations dans la direction de magnétisation d’une fine couche ferromagnétique.

“Au lieu d’utiliser un champ magnétique, nous utilisons un couple spin-orbite : un courant traversant une couche de tungstène génère des spins qui inversent la magnétisation en environ 1 ns”, a expliqué Huang.

« Par rapport à la DRAM et à la Flash, notre MRAM combine la non-volatilité (comme la Flash) avec une vitesse de l’ordre de la nanoseconde (comme la DRAM), mais avec une consommation bien inférieure et aucun besoin de cycles de rafraîchissement. L’aspect unique ici est de stabiliser la phase de tungstène pour offrir à la fois une efficacité de rotation élevée et une intégration prête pour l’industrie.

Les chercheurs ont réalisé un prototype de leur mémoire, avec une matrice de 64 kilobits (ko), puis ont évalué ses performances dans des conditions alignées sur des applications réelles. Il a été constaté que la SOT-MRAM atteint une vitesse de commutation remarquable de 1 ns et un temps de rétention supérieur à 10 ans.

“Nous avons stabilisé une phase du tungstène qui est généralement difficile à contrôler mais cruciale pour l’efficacité de la rotation jusqu’à 700 °C”, a déclaré Huang. “Notre étude montre que la SOT-MRAM peut être adaptée au cache sur puce et à la mémoire intégrée, permettant ainsi une IA et une informatique de pointe économes en énergie où la vitesse et la non-volatilité comptent.”

Les travaux récents de Huang et de ses collègues pourraient ouvrir de nouvelles possibilités pour la fabrication évolutive et à grande échelle de SOT-MRAM hautement performantes basées sur le tungstène en phase β. À l’avenir, d’autres équipes de recherche pourraient s’appuyer sur cette étude pour développer d’autres systèmes de mémoire rapides, stables et compatibles avec les processus de fabrication existants.

“Nous visons désormais à aller au-delà des baies de preuve de concept vers une intégration de classe mégabit, tout en réduisant davantage le courant d’écriture à des niveaux inférieurs au picojoule/bit”, a ajouté Huang. “Du côté de la physique, nous explorons de nouvelles interfaces oxyde et 2D pour pousser encore plus loin l’efficacité et la fiabilité. Une autre direction concerne les démonstrations au niveau du système, montrant comment la MRAM peut réduire la puissance totale des accélérateurs d’IA et des appareils mobiles.”

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