【前沿技術(shù)】可能徹底改變電子行業(yè)的突破性自旋電子學(xué)制造工藝

來源：《半導(dǎo)體芯科技》雜志

明尼蘇達雙城大學(xué)的研究人員與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的一個團隊一起開發(fā)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(gòu)成計算機、智能手機和許多其他電子產(chǎn)品的半導(dǎo)體芯片的新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。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(guān)論文發(fā)表在頂級材料科學(xué)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(xué)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(jīng)找到了一種材料和一種器件，可以讓半導(dǎo)體行業(yè)在自旋電子學(xué)領(lǐng)域獲得更多機會，這在以前的內(nèi)存和計算應(yīng)用中是沒有的。自旋電子學(xué)對于構(gòu)建具有新功能的微電子學(xué)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(xué)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(lǐng)導(dǎo)這項工作。

Wang的團隊還與明尼蘇達大學(xué)技術(shù)商業(yè)化部門和NIST合作，為這項技術(shù)申請了專利，以及與這項研究相關(guān)的其他幾項專利。這一發(fā)現(xiàn)也為未來十年的自旋電子器件設(shè)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(dǎo)體制造工藝和產(chǎn)品中，這非常令人興奮，因為業(yè)內(nèi)工程師將能夠設(shè)計出更強大的系統(tǒng)?！盬ang說。

半導(dǎo)體行業(yè)不斷嘗試開發(fā)越來越小的芯片，以最大限度地提高電子設(shè)備的能效、計算速度和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，為傳統(tǒng)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(nèi)存和執(zhí)行計算。

十多年來，自旋電子材料已成功集成到半導(dǎo)體芯片中，但行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)能力的情況下制造小于20納米的器件。

明尼蘇達大學(xué)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(shù)據(jù)存儲的潛力）來規(guī)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(tǒng)在硅晶圓上生長鐵鈀，該系統(tǒng)是跨學(xué)術(shù)機構(gòu)中獨一無二的設(shè)備，在美國只有明尼蘇達大學(xué)才有。

“這項工作在世界上首次表明，你可以在半導(dǎo)體行業(yè)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(xué)電氣與計算機工程系Ph.D.學(xué)生Deyuan Lyu說?！拔覀兊膱F隊挑戰(zhàn)自我，提升一種新材料來制造下一代數(shù)據(jù)應(yīng)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(xué)家Daniel Gopman說，“看到這一進步如何推動自旋電子器件在半導(dǎo)體芯片技術(shù)領(lǐng)域的進一步發(fā)展，將會令人興奮?！?/p>

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(xué)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(xué)科學(xué)與工程學(xué)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(shè)施研究人員Javier García-Barriocanal、Geoffffrey Rojas 和Guichuan Yu。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)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