世界上最小的高性能磁隧道結

由現任校長大野秀夫(Hideo Ohno)領導的東北大學研究小組開發了世界上最小的(2.3 nm)高性能磁隧道結(MTJ)。預計這項工作將加速超高密度，低功耗，高性能非易失性存儲器的發展，以用于IoT，AI和汽車等各種應用。

STT-MRAM(非易失性自旋電子存儲器)的發展有助于減少半導體器件縮放中不斷增加的功耗。在高級集成電路中集成STT-MRAM的關鍵是擴展磁性隧道結(STT-MRAM的核心組件)，同時提高其數據保留和寫入操作的性能。

該小組在2018年提出的形狀各向異性MTJ已顯示MTJ可以縮小到單位數納米，同時又具有足夠的數據保留(熱穩定性)特性。在形狀各向異性MTJ中，通過使鐵磁層變厚來提高熱穩定性。但是，一旦厚度超過某一點，器件的可靠性就會下降。

為了解決傳統的具有單一鐵磁結構的形狀各向異性MTJ的問題[圖 1(a)]，該小組采用了一種新的結構，該結構使用了靜磁耦合的多層鐵磁體[圖1(a)]。1(b)]。已開發的MTJ已成功縮小為直徑2.3 nm，這是世界上最小的MTJ尺寸。它們還具有高達200°C的高數據保持性能，并且在1納米級的電壓下，在低于1 V的電壓下低至10 ns的高速和低壓寫入操作。

該研究的第一作者Butsurin Jinnai表示：“這一性能證明了發達的MTJ能夠與下一代先進的集成電路配合使用。” “由于其與標準MTJ材料系統CoFeB / MgO的材料兼容性，因此擬議的MTJ結構可以很容易地在現有MTJ技術中采用。” 該組織認為，這將加快針對各種應用(如IoT，AI和汽車)的超高密度，低功耗，高性能內存的開發。