东北大学的研究人员制定了单纳米磁隧道结(MTJ)指南，允许进行性能定制，以满足从人工智能/物联网到汽车和航天技术等各种应用的要求。

这一突破将带来高性能自旋电子非易失性存储器，与最先进的半导体技术兼容。详细信息发表在2024年1月4日的《npjSpintronics》杂志上。

非易失性存储器的关键特性是它能够在没有外部电源的情况下保留数据。因此，由于非易失性存储器能够降低半导体集成电路(IC)的功耗，因此广泛的开发工作已转向非易失性存储器。非易失性存储器的性能要求根据具体应用而有所不同。例如，人工智能/物联网应用需要高速性能，而汽车和航天技术则优先考虑高保留能力。

自旋转移矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)是一种非易失性存储器技术，它利用电子的固有角动量(称为自旋)来存储数据，具有解决现有技术相关的一些限制的潜力。内存技术。

STT-MRAM的基本构建模块是磁隧道结(MTJ)：由薄绝缘层隔开的两个铁磁层。长期以来，科学家们一直试图应对在满足性能要求的同时使MTJ变得更小的挑战，但仍然存在许多问题。

STT-MRAM采用尺寸在几十纳米范围内的MTJ，已成功开发用于采用1Xnm技术节点的汽车半导体。然而，展望未来的节点，需要将MTJ缩小到个位数纳米(即Xnm)，同时确保能够根据特定应用定制性能。

为此，研究小组设计了一种采用CoFeB/MgO堆叠结构(事实上的标准材料系统)设计单纳米MTJ的方法。改变单个CoFeB层的厚度和[CoFeB/MgO]堆叠的数量使他们能够独立控制形状和界面各向异性，这分别对于实现高保留和高速功能至关重要。

因此，MTJ性能可以针对从保留关键到速度关键的各种应用进行定制。在单纳米尺寸下，形状各向异性增强型MTJ在150°C下表现出高保持性(>10年)，而界面各向异性增强型MTJ在低于1V的电压下实现了快速切换(10ns或更短)。

该研究的主要作者之一JuntaIgarashi表示：“由于所提出的结构可以适应主要半导体工厂的现有设施，我们相信我们的研究为STT-MRAM的未来扩展做出了重大贡献。”

首席研究员ShunsukeFukami补充道：“半导体行业通常倾向于意识到持久的规模化。从这个意义上说，我认为这项工作应该向他们发出一个强烈的信息，即他们可以依靠STT-MRAM的未来来帮助迎来低碳社会。”