在現今5G、人工智慧與物聯網(AIoT)等技術的催化下，具備高速存取、節能與非揮發性等優異性能之磁性隨機存取記憶體(Magnetic random access memory, MRAM)已被視為次世代通用型記憶體，尤以自旋轉移力矩式磁性記憶體(Spin-transfer torque MRAM, STT-MRAM)最具應用性。然而，一般的自旋轉移力矩式磁性記憶體中之核心單元—磁性穿隧接面(Magnetic tunnel junction, MTJ)中的氧化層將會使記憶體之寫入功耗過大，更有單晶易劣化且不易製造之疑慮。有鑑於此，本研究團隊開發具超晶格勢壘層(Superlattice-barrier)之磁性穿隧接面，並輔以半金屬(Half-metallic, HM)電極，期解決一般的自旋轉移力矩式磁性記憶體所面臨之困境。
本研究主要以超晶格勢壘層替代一般磁性穿隧接面中的氧化層，其中超晶格勢壘層是由金屬與絕緣層不斷交替的週期性結構所構築而成，如圖一所示。研究顯示主要性能如寫入功耗以及電阻與面積之乘積(Resistance-area product, RA product)將隨著超晶格週期數的增加而有顯著的下降，如圖二所示，且相較於一般自旋轉移力矩式的磁性穿隧接面，本研究減少了90%的寫入功耗。再者，本研究由於以半金屬電極作為固定層，因此幾乎只有自旋向上的電子能夠穿透勢壘層，故能使自旋轉移力矩效應更加顯著，相較於一般鐵磁性金屬提升了5個數量級，如圖三所示。此外，超晶格勢壘層為非晶結構，不具有單晶易劣或製造不易等缺點。綜上所述，本研究之設計能夠顯著提升自旋轉移力矩以及大幅降低寫入功耗，並能改善現今自旋轉移力矩式磁性記憶體之缺陷。（工科海洋系薛文証教授提供）
圖一、具超晶格勢壘層與半金屬電極之磁性穿隧接面
圖二、(a)寫入功耗 (b)電阻與面積之乘積
圖三、使用一般鐵磁性金屬與半金屬電極的自旋轉移力矩之比較