En forskargrupp från Tohoku University har avslöjat extremt små magnetiska tunnelkorsningar (MTJ:er) ner till en ensiffrig nanometer-skala som har tillräckliga retentionsegenskaper och ändå kan bytas av en ström.

Spin-överföringsmoment-magnetoresistivt slumpmässigt åtkomstminne (STT-MRAM) har utvecklats intensivt under de senaste åren och kommersialisering förväntas under 2018. STT-MRAM kan ersätta befintligt halvledarbaserat arbetsminne på grund av dess utmärkta funktioner när det gäller drift hastighet och läs/skriv uthållighet. Dessutom, det är icke flyktigt, d.v.s. ingen strömförsörjning krävs för att lagra lagrad information, vilket gör den oumbärlig för framtida integrerade kretsar med ultralåg effekt.

MTJ är hjärtat i STT-MRAM. För att fortsätta resan för att öka prestanda och kapacitet hos STT-MRAM, det var viktigt att göra MTJ mindre, samtidigt behålla möjligheterna att behålla information och växla via en liten ström. CoFeB/MgO-baserade MTJ utvecklade av samma grupp 2010, som använde gränssnittsanisotropi vid CoFeB/MgO -gränssnittet, banade väg för 20-nm-generation. Dock, under 20 nm, de önskvärda kvarhållnings- och kopplingsegenskaperna kunde inte ha realiserats samtidigt. Därför, ett annat tillvägagångssätt krävdes.

Forskargruppen vid Tohoku University använde en "formanisotropi" som inte hade använts effektivt i enheter som lämpar sig för integration, och utvecklade extremt små MTJ ner till mindre än 10 nm, eller en en-siffrig nanometer skala.

Form-anisotropin MTJ har ett pelarformat magnetiskt lager genom vilket filmens normala riktning blir en magnetisk lätt axel (Fig. 1 (a)). Detta står i kontrast till gränssnitt-anisotropiska MTJ:er, som uppnåddes genom att minska tjockleken på det magnetiska skiktet (fig. 1 (b)). Den minsta diametern på MTJ som studerades var 3,8 nm, som är en oöverträffad skala baserad på tidigare forskningsinsatser.

Tillräckligt höga kvarhållande egenskaper, representeras av termiska stabilitetsfaktorer, erhölls (fig. 2); det erhållna värdet på mer än 80 hade aldrig uppnåtts genom det konventionella schemat. Vidare, ströminducerad magnetiseringsomkoppling observeras för "form-anisotropiska" MTJ:er med olika diametrar inklusive enheter under 10 nm (fig. 3).

Den utvecklade MTJ kan arbeta med generationer av framtida halvledarteknologi. Den enkelsiffriga nanometern MTJ motsvarar mer än 100 Giga-bitars kapacitet, som är ungefär 100 gånger större än den nuvarande arbetsminnetekniken.