I ricercatori dell'Università di Tohoku hanno sviluppato linee guida per una giunzione tunnel magnetico (MTJ) a singolo nanometro, consentendo la personalizzazione delle prestazioni per soddisfare i requisiti di diverse applicazioni, che vanno dall'intelligenza artificiale/IoT alle automobili e alle tecnologie spaziali.
La svolta porterà alla memoria spintronica non volatile ad alte prestazioni, compatibile con le tecnologie dei semiconduttori più avanzate. I dettagli sono stati pubblicati sulla rivista npj Spintronics il 4 gennaio 2024.
La caratteristica chiave della memoria non volatile è la sua capacità di conservare i dati in assenza di una fonte di alimentazione esterna. Di conseguenza, estesi sforzi di sviluppo sono stati indirizzati verso la memoria non volatile per la sua capacità di ridurre il consumo energetico nei circuiti integrati a semiconduttore (IC). I requisiti prestazionali per la memoria non volatile variano in base alle applicazioni specifiche. Ad esempio, le applicazioni AI/IoT richiedono prestazioni ad alta velocità, mentre le tecnologie automobilistiche e spaziali danno priorità alle capacità di elevata fidelizzazione.
La memoria ad accesso casuale magnetoresistivo con coppia di trasferimento di spin (STT-MRAM), un tipo di tecnologia di memoria non volatile che memorizza i dati utilizzando il momento angolare intrinseco degli elettroni, noto come spin, possiede il potenziale per affrontare alcune delle limitazioni associate alle tecnologie esistenti tecnologie della memoria.
L'elemento fondamentale di STT-MRAM è la giunzione tunnel magnetica (MTJ):due strati ferromagnetici separati da una sottile barriera isolante. Gli scienziati hanno cercato a lungo di affrontare la sfida di rendere gli MTJ più piccoli rispettando al tempo stesso i requisiti prestazionali, ma rimangono molti problemi.
STT-MRAM, che impiega MTJ con dimensioni nell'ordine di diverse decine di nanometri, è stato sviluppato con successo per semiconduttori automobilistici utilizzando nodi tecnologici 1X nm. Guardando al futuro dei nodi, tuttavia, è necessario ridurre gli MTJ a nanometri a una cifra, o X nm, garantendo al tempo stesso la capacità di personalizzare le prestazioni in base ad applicazioni specifiche.
Per fare ciò, il gruppo di ricerca ha progettato un mezzo per progettare MTJ a singolo nanometro con una struttura stack di CoFeB/MgO, un sistema di materiali standard di fatto. La variazione dello spessore del singolo strato di CoFeB e del numero di stack [CoFeB/MgO] ha permesso loro di controllare la forma e le anisotropie interfacciali in modo indipendente, qualcosa di cruciale per ottenere rispettivamente capacità di alta ritenzione e alta velocità.
Di conseguenza, le prestazioni MTJ possono essere personalizzate per applicazioni che vanno da quelle critiche per la conservazione a quelle critiche per la velocità. Con dimensioni di singoli nanometri, gli MTJ potenziati con anisotropia della forma hanno dimostrato un'elevata ritenzione (> 10 anni) a 150°C, mentre gli MTJ potenziati con anisotropia interfacciale hanno raggiunto una commutazione ad alta velocità (10 ns o meno) inferiore a 1 V.
"Poiché la struttura proposta può essere adattata alle strutture esistenti nelle principali fabbriche di semiconduttori, riteniamo che il nostro studio fornisca un contributo significativo al futuro ridimensionamento della STT-MRAM", ha affermato Junta Igarashi, uno degli autori principali dello studio.
Il ricercatore principale Shunsuke Fukami ha aggiunto che "le industrie dei semiconduttori generalmente tendono ad essere consapevoli del ridimensionamento a lungo termine. In questo senso, penso che questo lavoro dovrebbe inviare loro un messaggio forte che possono fare affidamento sul futuro di STT-MRAM per contribuire a inaugurare una società a basse emissioni di carbonio."
Ulteriori informazioni: Junta Igarashi et al, Giunzioni tunnel magnetiche CoFeB/MgO a nanometro singolo con capacità di ritenzione elevata e alta velocità, npj Spintronics (2024). DOI:10.1038/s44306-023-00003-2
Fornito dall'Università di Tohoku
