研究人员创造了可以彻底改变电子行业的自旋电子学制造工艺

样品的XRD图谱。a） 大面积倒数空间图（HL投影）。散射强度用温度色刻度表示。b） 3L 镜面杆的 00D 表示。在此表示中，散射椭球体是通过HL和KL投影中各个峰的拟合获得的。c） 常规 θ–2θ 光谱

明尼苏达大学双城分校的研究人员与美国国家标准与技术研究所(NIST)的一个团队一起，开发了一种用于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。新工艺将允许更快，更有效的自旋电子学设备，可以缩小比以往任何时候都小。

研究人员的论文发表在《高级功能材料》上。

“我们相信，我们已经找到了一种材料和设备，它将使半导体行业在自旋电子学方面向前发展，在存储和计算应用方面有更多的机会，”该论文的作者、明尼苏达大学电气和计算机工程系教授、Robert F.Hartmann主席Jian-Ping Wang说。“自旋电子学对于构建具有新功能的微电子技术非常重要。”

Jian-Ping Wang说，明尼苏达州在半导体研究公司（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，10多年来一直在大力领导这项工作。

Jian-Ping Wang的团队还与明尼苏达大学技术商业化和NIST合作，为这项技术以及与这项研究相关的其他几项专利申请了专利。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新的研究方向。

“这意味着霍尼韦尔、Skywater、Globalfoundries、英特尔和像他们这样的公司可以将这种材料集成到他们的半导体制造工艺和产品中，”Jian-Ping Wang说。“这非常令人兴奋，因为该行业的工程师将能够设计出更强大的系统。”

半导体行业一直在努力开发越来越小的芯片，以最大限度地提高电子设备的能源效率、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。这些材料也有可能是非易失性的，这意味着它们需要更少的电力，并且可以存储内存并执行计算，即使在您移除电源后也是如此。

自旋电子材料已成功集成到半导体芯片中已有十多年的历史，但行业标准的自旋电子材料钴铁硼的可扩展性已经达到了极限。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纳米的设备。

明尼苏达大学的研究人员通过证明钯铁（钴铁硼的替代材料，需要更少的能量并且具有更多数据存储的潜力）可以缩小到小至五纳米的尺寸来规避这个问题。

而且，研究人员首次能够使用具有8英寸晶圆功能的多室超高真空溅射系统在硅晶圆上生长铁钯，这是全国学术机构中独一无二的设备，仅在明尼苏达大学提供。

“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种植这种材料，这种材料可以缩小到小于5纳米，即所谓的CMOS+X策略。”该论文的作者，明尼苏达大学电气与计算机工程系博士生Deyuan Lyu说。

NIST的科学家Daniel Gopman是这项研究的主要贡献者之一，他说：“我们的团队向自己提出了挑战，要提升一种新材料，以制造下一代渴望数据的应用程序所需的自旋电子设备。看到这一进步如何在半导体芯片技术领域推动自旋电子学器件的进一步发展，将是令人兴奋的。”