磁性器件|日本东北大学研制出世界最小（2.3nm）高性能磁隧道结（MTJ），工作温度可达200℃

日本东北大学现任校长Hideo Ohno领导的研究小组开发出了世界上最小（2.3nm）的高性能磁隧道结（MTJ）。该工作有望加速推进物联网、人工智能、汽车等各种应用的超高密度、低功耗、高性能非易失性存储器的发展。

需求背景

STT MRAM非易失性自旋电子存储器的开发有助于降低半导体器件发展中不断增加的功耗。将STT MRAM集成到先进集成电路中的关键是扩展磁隧道结—STT MRAM的核心部件，同时提高其数据保持和写入操作的性能。

研究基础

该研究小组在2018年提出了形状各向异性MTJ，已经显示出MTJ可缩放到个位数纳米，同时实现足够的数据保持（热稳定性）性能。在形状各向异性MTJ中，通过使铁磁层变厚来增强热稳定性。然而，一旦厚度超过一定程度，器件的可靠性就会下降。

研究突破

为了解决传统形状各向异性MTJ中单一铁磁结构[下图(a)]的问题，该课题组采用了一种新的结构，即采用磁静耦合多层铁磁体[下图(b)]。在多层铁磁结构中，通过增强界面各向异性可以提高器件性能，由于磁致伸缩，两个铁磁体表现为单磁体。这使得铁磁层在保持高热稳定性的同时变得更薄。

（a）采用传统单铁磁结构（2018年开发）、（b）使用磁致伸缩的多层铁磁结构的形状各向异性MTJ的示意图

性能优势

开发的MTJ成功地缩小到2.3nm的直径--这是世界上最小的MTJ尺寸，还表现出高达200℃的高数据保持特性，以及在个位数纳米尺度下低至1V以下10ns的高速和低电压写入操作。

意义

该研究的第一作者Butsurin Jinnai说：“该性能证明了所开发的MTJ能够与未来先进集成电路协同工作，由于其与标准MTJ材料体系CoFeB/MgO的材料兼容性，所提出的MTJ结构可以很容易地在现有MTJ技术中采用。”课题组认为，这将加快开发超高密度、低功耗、高性能的存储器，满足物联网、人工智能和汽车等多种应用。

信息来源

High-Performance Shape-Anisotropy Magnetic Tunnel Junctions down to 2.3 nm, Butsurin Jinnai*, Junta Igarashi*, Kyota Watanabe, Takuya Funatsu, Hideo Sato, Shunsuke Fukami, and Hideo Ohno. Conference: IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)

https://techxplore.com/news/2020-12-world-smallest-high-performance-magnetic-tunnel.html