【前沿技术】可能彻底改变电子行业的突破性自旋电子学制造工艺

来源：《半导体芯科技》杂志

明尼苏达双城大学的研究人员与美国国家标准与技术研究院(NIST)的一个团队一起开发了一种制造自旋电子器件的突破性工艺，该工艺有可能成为构成计算机、智能手机和许多其他电子产品的半导体芯片的新行业标准。该新工艺将允许制造更快、更高效的自旋电子器件，而且这些器件可以比以往任何时候都更小。

相关论文发表在顶级材料科学期刊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）

明尼苏达大学电气与计算机工程系教授兼Robert F. Hartmann主席，该论文的资深作者Jian-Ping Wang说：“我们相信我们已经找到了一种材料和一种器件，可以让半导体行业在自旋电子学领域获得更多机会，这在以前的内存和计算应用中是没有的。自旋电子学对于构建具有新功能的微电子学来说非常重要。”

Wang说，在Semiconductor Research Corporation (SRC)、国防高级研究计划局(DARPA)和国家科学基金会(NSF)的大力支持下，明尼苏达州10多年来一直在大力领导这项工作。

Wang的团队还与明尼苏达大学技术商业化部门和NIST合作，为这项技术申请了专利，以及与这项研究相关的其他几项专利。这一发现也为未来十年的自旋电子器件设计和制造开辟了一条新的研究思路。

“这意味着霍尼韦尔、Skywater、Globalfoundries、英特尔以及和他们类似的公司，可以将这种材料整合到他们的半导体制造工艺和产品中，这非常令人兴奋，因为业内工程师将能够设计出更强大的系统。”Wang说。

半导体行业不断尝试开发越来越小的芯片，以最大限度地提高电子设备的能效、计算速度和数据存储容量。自旋电子器件利用电子的自旋而不是电荷来存储数据，为传统的基于晶体管的芯片提供了一种有前途且更有效的替代方案。这些材料还具有非易失性的潜力，这意味着它们需要更少的能量，并且即使在移除它们的电源后也可以存储内存和执行计算。

十多年来，自旋电子材料已成功集成到半导体芯片中，但行业标准自旋电子材料钴铁硼的可扩展性已达到极限。目前，工程师无法在不失去存储数据能力的情况下制造小于20纳米的器件。

明尼苏达大学的研究人员通过铁钯（钴铁硼的替代材料，需要更少的能量，并具有更多数据存储的潜力）来规避这个问题，可以将器件尺寸缩小到5纳米。而且，研究人员首次能够使用支持8英寸晶圆的多室超高真空溅射系统在硅晶圆上生长铁钯，该系统是跨学术机构中独一无二的设备，在美国只有明尼苏达大学才有。

“这项工作在世界上首次表明，你可以在半导体行业兼容的衬底上生长这种材料，并且这种材料可以缩小到小于5纳米，这是所谓的CMOS+X策略，”论文第一作者，明尼苏达大学电气与计算机工程系Ph.D.学生Deyuan Lyu说。“我们的团队挑战自我，提升一种新材料来制造下一代数据应用所需的自旋电子器件，”该研究的主要贡献者之一，NIST的科学家Daniel Gopman说，“看到这一进步如何推动自旋电子器件在半导体芯片技术领域的进一步发展，将会令人兴奋。”

这项研究获得了400万美元的资助，包括DARPA提供的为期四年的资助，以及NIST的部分资助；还有SMART，nCORE的七个中心之一，一个SRC项目的支持；和美国国家科学基金会的资助。

除了Wang、Gopman和Lyu之外，研究团队还包括许多明尼苏达大学科学与工程学院的研究人员，比如电气和计算机工程系的研究人员Qi Jia、William Echtenkamp和Brandon Zink；机械工程系研究人员Dingbin Huang和Xiaojia Wang副教授；表征设施研究人员Javier García-Barriocanal、Geoffffrey Rojas 和Guichuan Yu。美国国家标准与技术研究院研究人员Jenae Shoup也为这项研究做出了贡献。

审核编辑：汤梓红