來源：《半導體芯科技》雜志

明尼蘇達雙城大學的研究人員與美國國家標準與技術研究院(NIST)的一個團隊一起開發了一種制造自旋電子器件的突破性工藝，該工藝有可能成為構成計算機、智能手機和許多其他電子產品的半導體芯片的新行業標準。該新工藝將允許制造更快、更高效的自旋電子器件，而且這些器件可以比以往任何時候都更小。

相關論文發表在頂級材料科學期刊Advanced Functional Materials上。（Deyuan Lyu et al, Sputtered L10 FePd and its Synthetic Antiferromagnet on Si/SiO2 Wafers for Scalable Spintronics, Advanced Functional Materials (2023). DOI: 10.1002/adfm.202214201）

明尼蘇達大學電氣與計算機工程系教授兼Robert F. Hartmann主席，該論文的資深作者Jian-Ping Wang說：“我們相信我們已經找到了一種材料和一種器件，可以讓半導體行業在自旋電子學領域獲得更多機會，這在以前的內存和計算應用中是沒有的。自旋電子學對于構建具有新功能的微電子學來說非常重要。”

Wang說，在Semiconductor Research Corporation (SRC)、國防高級研究計劃局(DARPA)和國家科學基金會(NSF)的大力支持下，明尼蘇達州10多年來一直在大力領導這項工作。

Wang的團隊還與明尼蘇達大學技術商業化部門和NIST合作，為這項技術申請了專利，以及與這項研究相關的其他幾項專利。這一發現也為未來十年的自旋電子器件設計和制造開辟了一條新的研究思路。

“這意味著霍尼韋爾、Skywater、Globalfoundries、英特爾以及和他們類似的公司，可以將這種材料整合到他們的半導體制造工藝和產品中，這非常令人興奮，因為業內工程師將能夠設計出更強大的系統。”Wang說。

半導體行業不斷嘗試開發越來越小的芯片，以最大限度地提高電子設備的能效、計算速度和數據存儲容量。自旋電子器件利用電子的自旋而不是電荷來存儲數據，為傳統的基于晶體管的芯片提供了一種有前途且更有效的替代方案。這些材料還具有非易失性的潛力，這意味著它們需要更少的能量，并且即使在移除它們的電源后也可以存儲內存和執行計算。

十多年來，自旋電子材料已成功集成到半導體芯片中，但行業標準自旋電子材料鈷鐵硼的可擴展性已達到極限。目前，工程師無法在不失去存儲數據能力的情況下制造小于20納米的器件。

明尼蘇達大學的研究人員通過鐵鈀（鈷鐵硼的替代材料，需要更少的能量，并具有更多數據存儲的潛力）來規避這個問題，可以將器件尺寸縮小到5納米。而且，研究人員首次能夠使用支持8英寸晶圓的多室超高真空濺射系統在硅晶圓上生長鐵鈀，該系統是跨學術機構中獨一無二的設備，在美國只有明尼蘇達大學才有。

“這項工作在世界上首次表明，你可以在半導體行業兼容的襯底上生長這種材料，并且這種材料可以縮小到小于5納米，這是所謂的CMOS+X策略，”論文第一作者，明尼蘇達大學電氣與計算機工程系Ph.D.學生Deyuan Lyu說。“我們的團隊挑戰自我，提升一種新材料來制造下一代數據應用所需的自旋電子器件，”該研究的主要貢獻者之一，NIST的科學家Daniel Gopman說，“看到這一進步如何推動自旋電子器件在半導體芯片技術領域的進一步發展，將會令人興奮。”

這項研究獲得了400萬美元的資助，包括DARPA提供的為期四年的資助，以及NIST的部分資助；還有SMART，nCORE的七個中心之一，一個SRC項目的支持；和美國國家科學基金會的資助。

除了Wang、Gopman和Lyu之外，研究團隊還包括許多明尼蘇達大學科學與工程學院的研究人員，比如電氣和計算機工程系的研究人員Qi Jia、William Echtenkamp和Brandon Zink；機械工程系研究人員Dingbin Huang和Xiaojia Wang副教授；表征設施研究人員Javier García-Barriocanal、Geoffffrey Rojas 和Guichuan Yu。美國國家標準與技術研究院研究人員Jenae Shoup也為這項研究做出了貢獻。

審核編輯：湯梓紅