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台灣自旋科技研究中心

 

簡介

(1) 中心簡介

  創立台灣自旋研究中心,整合中南部相關資源,以研究CoFeB-MgO超薄膜之垂直異向性及磁阻現象為主軸,並發展磁阻式隨機記憶體(Magnetic Random Access Memory, MRAM)以及磁性偵測元件。過去六年由經濟部補助學界科專計畫專案補助MRAM之發展,獲得多項關鍵專利技術。並與國內大型研究機構合作,透過同步幅射光源以及中子繞射等技術,發現由於介面對稱性破壞導致的軌道磁矩增強,對於了解該物質之垂直異向性機制有重要的貢獻。

 

  本校(中正大學)與彰化師範大學、雲林科技大學於民國91年共同建立校際聯合研究中心「台灣自旋科技研究中心」,本中心英文名稱為「Taiwan Spin Phenomena Integrated Nanotechnology Research Center」,簡稱為「Taiwan SPIN Research Center」。本中心也結合台灣地區多所大學及研究機構組成龐大的研發團隊。中心設立宗旨在於探討電子的自旋現象與其相關物理的基礎研究以及積體奈米科技的應用開發,並培養自旋電子學 (Spintronics)方面的研究人才。透過核心技術之開發及其相關的基礎研究,冀望成為國際性自旋電子學與自旋電子元件之研究重鎮,並提高台灣在此相關領域的國際聲望。

 

  「台灣自旋科技研究中心」並於民國92年10月獲得經濟部技術處的學界科專計畫之資助,規劃四年時間開發磁阻式隨機存取記憶體(MRAM之核心技術,四年期間鎖定以電子束製程來刻劃製作超高密度的MRAM,並朝向奈米級位元目標發展。本團隊的相關研究人員在這4年中嘗試MRAM的製造與測試,集中人力及物力投入MRAM的研發,在相關技術上有所突破,並製作出100 nm以下高密度的MRAM記憶元。MRAM具有非揮發性、快存取、低功率、高集積密度等優點,目前Freescale已有4 Mbits的產品,未來將有可能成為記憶體的主流產品。MRAM是一個相當精密及新穎的自旋電子積體元件,要達到超高容量密度及良好的整體表現,很多工程問題尚需解決,如降低讀寫的電流、磁膜間的交互作用、邊際效應與形狀大小、電、磁傳輸等物理機制。

 

  近年來半導體產業面臨到轉型的壓力,而自旋電子學相關研究掀起一波研究熱潮,美國在十幾年前就積極投入人力財力開發相關的技術,而韓國也在1999年初於KIAST成立一Spintronics Institute 來整合全國磁性學界的力量;日本也於2000年整合各大公司及12個大學的研究人力成立對策研究小組;中國也有兩個以上的全國性大型計畫由中科院及南京大學領銜。為了因應世界潮流與國內科技發展的需要,結合了中部三所大學的研究人才,成立了台灣第一個以自旋電子元件為研究目的研究中心,本中心研究人員在前瞻磁性技術領域有多年研究經驗與成果,以研究自旋電子元件相關的應用與基礎特性為主要的宗旨。

 

  四年前獲經濟部支助,研發磁阻式隨機存取記憶體的核心技術,更整合了國內的相關學者,組織強大的研發團隊,近四年來本中心訓練了許許多多的人才,也培育了許多博碩士生,目前已有豐富的研究成果,並有一些製程技術達到世界水準。

 

  本中心以高容量密度MRAM之物理機制為初期研究主軸來輔補工業界在這方面研發經驗之不足。MRAM之集積密度在磁性材料方面主要取決於磁層結構與位元大小。我們將利用電子束奈米製程來刻劃製作超高密度的MRAM記錄位元(30 nm-50 nm),了解在這樣微小尺寸下的磁反轉問題,直接切入以TMR為主的高密度MRAM機制的探討及30~50 nm之高密度製程及讀寫的技術。三年後推到(1)Current Induce Magnetization Switching (2)Perpendicular-MTJ (3)低耗能隨機存取記憶體。此外,本中心已有長期的願景規劃並已建立研究中心的核心設備及架構,且已凝聚自旋電子學相關的人員以及研究文化。中心未來將以自旋電子學相關應用領域的研究,推展自旋電子學相關的產業,及人材培育為主要發展方向及目標。研究領域將包括MRAM及Spin Transistors等Spin Transport有關之核心技術的開發及其相關的基礎研究,冀望成為國際性自旋電子學的研究重鎮及提高台灣相關領域的國際聲望。

 

(2) 研究方向

中心理念

  為因應半導體產業面臨之轉型壓力,自旋電子學相關研究在全世界掀起一波熱潮,美國、韓國、日本及大陸等國莫不整合產學界的力量,成立相關研究單位。本校(中正大學)與彰化師範大學、雲林科技大學,為因應世界潮流與國內科技發展需求,於民國91年共同建立校際聯合研究中心「台灣自旋科技研究中心」,是台灣第一個以自旋電子元件為研究目的之研究中心。並於民國92年10月獲得經濟部技術處的學界科專計畫資助,規劃四年期開發MRAM(磁阻式隨機存取記憶體)之核心技術。

  

  本中心設立宗旨在於研究自旋電子學及積體奈米科技相關領域之理論及應用,並培養自旋電子學 (Spintronics)方面的研究人才,推展自旋電子學相關的產業,希冀成為國際性自旋電子學與自旋電子元件之研究重鎮,並提高台灣在此相關領域的國際聲望。

  

  本中心具長期的願景規劃與建立研究中心的核心設備及架構,並已凝聚自旋電子學相關的人員及研究文化。中心研究人員在前瞻磁性技術領域有多年研究經驗與成果,以高容量密度MRAM之物理機制為初期研究主軸來輔補工業界在這方面研發經驗之不足。研究領域包括MRAM及Spin Transistors等Spin Transport有關之核心技術的開發,利用電子束奈米製程來刻劃製作超高密度的MRAM記錄位元(30 nm-50 nm),在這樣微小尺寸下的磁反轉問題,直接切入以TMR為主的高密度MRAM機制探討及30~50 nm的高密度製程及讀寫之技術,以達到(1)Current Induce Magnetization Switching (2)Perpendicular-MTJ (3)低耗能隨機存取記憶體。MRAM是一個相當精密及新穎的自旋電子積體元件,要達到超高容量密度及良好的整體表現,很多工程問題尚需解決,如降低讀寫的電流、磁膜間的交互作用、邊際效應與形狀大小、電、磁傳輸等物理機制,皆為研究開發的重點。

 

分子束磊晶的氧化物薄膜及超晶格

分子束磊晶的研究在過去二十年偏重於半導體,如:Si、GaAs等及各類金屬的研究對於氧化物等較絕緣的物質相對的十分少,這些情況目前隨著高溫超導物質的發現逐漸改善,但深入廣泛的瞭解仍十分不足。我們目前在一連串不同的基板上作同類及異類的氧化物磊晶成長,譬如:MgO/MgO、Fe3O4/MgO、NiO/MgO、MgO/SrTiO3、Fe3O4/SrTiO3、 NiO/SrTiO3、MgO/Al2O3...等等。其中發現了在許多異類磊晶的成長,似乎晶格常數的不匹配(mismatch)絲毫不影響到高晶質磊晶的成長,我們知道,通常巨大的不匹配會造成強烈的彈性應變之不穩定而無法形成一層一層( layer by layer )的高品質成長,而氧化物中,大概是因為新的 離子鍵結之形成,其能量遠較 應變的能量來的 重要,而即使 晶格不匹配仍可長 成高品質薄膜。這類的現象,並不常見於金屬或半導體,對瞭解氧化物磊晶的機制很有幫助。

 

調制(Modulated)材料的物理性質

在深入嘗試各種 氧化物膜的成長之後,我們即開始製成超晶格結構,這種結構由兩種不同的氧化物膜A、B交替成長而成,A或B的厚度可改變,最薄可達10-9m左,右整體的厚度可達數仟angstrom,由於在垂直薄膜的方向形成新的週期,故稱之為超晶格。這類調制的材料常有新物理性質。主要的來源有兩類,以A磁性/B非磁性〔或導體/非導體...等〕為例,1.如果固定B的厚度,而改變A的厚度,將可見到A的磁性隨著尺度的 變小而改變,尤其當尺度到達某一特徵長度時,磁性將有巨烈變化,2.如果固定A的厚度,而逐漸減少B的厚度,則可見A"透"過B而產生長距離的效應,而也強烈的改變了原有的磁性,在這一方面,我們嘗試了如Fe3O4/NiO及Fe3O4/MgO,這三種物質分別帶有鐵磁性、反鐵磁性及無磁性,在改變不同的厚度時,的確觀察到有趣的現象。

 

(3) 訓練

培育博士生計畫:

1. 鼓勵直攻博士以期4年完成學位 (或碩 + 3)

2. 提供3+1 養成計劃(中正3年+國外知名機構研究1年)

3. 畢業前必須參加國外研討會,宣讀研究成果。

 

(4) 設備

本中心設備包含電漿輔助蝕刻機 (ICP)、磁性多層薄膜濺鍍系統 (SPUTTER)、物理性質量測系統 (PPMS)、分子束磊晶 (MBE)、可變溫電性量測系統 (TTP-4 Probe Station)。

 

(5) 成員

本中心主任為物理系蔡炎熾教授,其餘成員有魏台輝教授、蘇旺昌教授、吳欣澤教授、張晃暐教授、蘇炯武副教授、秦伊瑩助理教授,博士研究生詹崴仁。

 

(6) 連絡資訊

電話:05-2720411 轉 16920 或 16921

傳真:05-2720587

電子郵件:spin@ccu.edu.tw

621301 嘉義縣民雄鄉大學路一段168號 電話:05-2720411 分機:61001 E-mail: science@ccu.edu.tw Copyright©2020 國立中正大學理學院 瀏覽人數 36083 人
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