Pesquisadores da Universidade de Tohoku desenvolveram diretrizes para uma junção de túnel magnético (MTJ) de nanômetro único, permitindo a adaptação do desempenho para atender aos requisitos de diversas aplicações, desde IA/IoT até automóveis e tecnologias espaciais.



A inovação levará a uma memória não volátil spintrônica de alto desempenho, compatível com tecnologias de semicondutores de última geração. Os detalhes foram publicados na revista npj Spintronics em 4 de janeiro de 2024.

A principal característica da memória não volátil é a sua capacidade de reter dados na ausência de uma fonte de energia externa. Consequentemente, extensos esforços de desenvolvimento foram direcionados para a memória não volátil devido à sua capacidade de reduzir o consumo de energia em circuitos integrados (CIs) semicondutores. Os requisitos de desempenho para memória não volátil variam de acordo com aplicações específicas. Por exemplo, as aplicações de IA/IoT exigem desempenho de alta velocidade, enquanto as tecnologias automotivas e espaciais priorizam capacidades de alta retenção.

A memória de acesso aleatório magnetorresistiva de torque de transferência de spin (STT-MRAM), um tipo de tecnologia de memória não volátil que armazena dados utilizando o momento angular intrínseco dos elétrons, conhecido como spin, possui o potencial para resolver algumas das limitações associadas aos existentes. tecnologias de memória.

O bloco de construção básico do STT-MRAM é a junção do túnel magnético (MTJ):duas camadas ferromagnéticas separadas por uma fina barreira isolante. Os cientistas há muito tentam enfrentar o desafio de diminuir os MTJs e ao mesmo tempo atender aos requisitos de desempenho, mas muitos problemas permanecem.

STT-MRAM, empregando MTJs com dimensões na faixa de várias dezenas de nanômetros, foi desenvolvido com sucesso para semicondutores automotivos usando nós de tecnologia 1X nm. Olhando para os futuros nós, no entanto, há uma necessidade de reduzir os MTJs para nanômetros de um dígito, ou X nm, garantindo ao mesmo tempo a capacidade de adaptar o desempenho de acordo com aplicações específicas.

Para fazer isso, o grupo de pesquisa projetou um meio de projetar MTJs de nanômetro único com uma estrutura de pilha CoFeB/MgO, um sistema de material padrão de fato. A variação da espessura individual da camada CoFeB e do número de pilhas [CoFeB/MgO] permitiu-lhes controlar a forma e as anisotropias interfaciais de forma independente - algo crucial para alcançar capacidades de alta retenção e alta velocidade, respectivamente.

Como resultado, o desempenho do MTJ pode ser adaptado para aplicações que variam de críticas para retenção a críticas para velocidade. No tamanho de nanômetros únicos, os MTJs aprimorados com anisotropia de forma demonstraram alta retenção (> 10 anos) a 150 ° C, enquanto os MTJs aprimorados com anisotropia interfacial alcançaram comutação de velocidade rápida (10 ns ou menos) abaixo de 1 V.

“Uma vez que a estrutura proposta pode ser adaptada às instalações existentes nas principais fábricas de semicondutores, acreditamos que o nosso estudo proporciona uma contribuição significativa para o futuro dimensionamento do STT-MRAM”, disse Junta Igarashi, um dos principais autores do estudo.

O investigador principal, Shunsuke Fukami, acrescentou que "as indústrias de semicondutores geralmente tendem a estar conscientes da expansão duradoura. Nesse sentido, acho que este trabalho deve enviar-lhes uma mensagem forte de que podem confiar no futuro do STT-MRAM para ajudar a inaugurar uma sociedade de baixo carbono."

Mais informações: Junta Igarashi et al, Junções de túnel magnético CoFeB/MgO de nanômetro único com capacidade de alta retenção e alta velocidade, npj Spintronics (2024). DOI:10.1038/s44306-023-00003-2
Fornecido pela Universidade Tohoku