日本东北大学(Tohoku University)的研究人员开发了一种单纳米磁性隧道结(MTJ)的指南，允许性能定制，以满足从人工智能/物联网到汽车和空间技术等各种应用的要求。
这一突破将导致高性能自旋电子非易失性存储器，与最先进的半导体技术兼容。这些细节发表在2024年1月4日的《npj自旋电子学》杂志上。
非易失性存储器的关键特性是它在没有外部电源的情况下保持数据的能力。因此，由于非易失性存储器能够降低半导体集成电路(ic)的功耗，因此广泛的开发工作已经指向非易失性存储器。对非易失性存储器的性能要求根据不同的应用而有所不同。例如，人工智能/物联网应用需要高速性能，而汽车和空间技术优先考虑高保留能力。
自旋转移转矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)是一种利用电子固有角动量(即自旋)存储数据的非易失性存储器技术，具有解决现有存储器技术相关的一些限制的潜力。
STT-MRAM的基本构件是磁隧道结(MTJ):两个铁磁层由薄绝缘屏障隔开。长期以来，科学家们一直试图在满足性能要求的同时使mtj更小，但仍然存在许多问题。
STT-MRAM采用尺寸在几十纳米范围内的mtj，已成功开发用于使用1X纳米技术节点的汽车半导体。然而，展望未来的节点，需要将mtj缩小到个位数纳米或X纳米，同时确保能够根据特定应用定制性能。
为此，研究小组设计了一种方法来设计具有CoFeB/MgO堆叠结构的单纳米MTJs，这是一种事实上的标准材料系统。改变单个CoFeB层厚度和[CoFeB/MgO]堆栈的数量使他们能够独立控制形状和界面各向异性，这对于分别实现高保留和高速性能至关重要。
因此，MTJ性能可以针对从保留关键型到速度关键型的应用程序进行定制。在单纳米尺寸下，形状各向异性增强的MTJs在150°C下表现出较高的保留率(> 10年)，而界面各向异性增强的MTJs在1 V以下实现了快速切换(10 ns或更短)。
该研究的主要作者之一军政府Igarashi说:“由于所提出的结构可以适应主要半导体工厂的现有设施，我们相信我们的研究为STT-MRAM的未来规模提供了重大贡献。”
首席研究员Shunsuke Fukami补充说:“半导体行业通常倾向于意识到持久的规模。从这个意义上说，我认为这项工作应该向他们发出一个强烈的信息，即他们可以依靠STT-MRAM的未来来帮助迎接低碳社会。”
