Een onderzoeksgroep van de Tohoku University heeft ultrakleine magnetische tunnelovergangen (MTJ's) onthuld tot op een nanometerschaal van één cijfer die voldoende retentie-eigenschappen hebben en toch kunnen worden geschakeld door een stroom.

Spin-transfer torque-magnetoresistive random access memory (STT-MRAM) is de afgelopen jaren intensief ontwikkeld en commercialisering wordt verwacht in 2018. STT-MRAM is in staat om het bestaande op halfgeleiders gebaseerde werkgeheugen te vervangen vanwege zijn uitstekende werkingsmogelijkheden snelheid en lees-/schrijfuithoudingsvermogen. Bovendien, het is niet-vluchtig, d.w.z., er is geen voeding nodig om opgeslagen informatie vast te houden, waardoor het onmisbaar is voor toekomstige geïntegreerde schakelingen met ultralaag vermogen.

MTJ's vormen het hart van STT-MRAM. Om de reis voort te zetten om de prestaties en capaciteit van STT-MRAM te vergroten, het was essentieel om de MTJ kleiner te maken, met behoud van de mogelijkheden om informatie vast te houden en te schakelen via een kleine stroom. CoFeB/MgO-gebaseerde MTJ's ontwikkeld door dezelfde groep in 2010, die grensvlakanisotropie gebruikte bij de CoFeB/MgO-interface, maakte de weg vrij voor de 20-nm generatie. Echter, onder de 20 nm, de gewenste retentie- en schakeleigenschappen hadden niet gelijktijdig gerealiseerd kunnen worden. Daarom, een andere aanpak was nodig.

De onderzoeksgroep van Tohoku University gebruikte een "vormanisotropie" die niet effectief was gebruikt in apparaten die geschikt waren voor integratie, en ontwikkelde ultrakleine MTJ's tot minder dan 10 nm, of een eencijferige nanometerschaal.

De vorm-anisotropie MTJ heeft een pilaarvormige magnetische laag waardoor de normale richting van de film een ​​magnetische gemakkelijke as wordt (figuur 1 (a)). Dit in tegenstelling tot de grensvlak-anisotropie MTJ's, die werden bereikt door de dikte van de magnetische laag te verminderen (Fig. 1 (b)). De kleinste diameter van de bestudeerde MTJ was 3,8 nm, wat een ongekende schaal is op basis van eerdere onderzoeksinspanningen.

Voldoende hoge retentie-eigenschappen, weergegeven door thermische stabiliteitsfactoren, werden verkregen (Fig. 2); de verkregen waarde van meer dan 80 was nooit bereikt via het conventionele schema. Verder, stroomgeïnduceerde magnetisatieschakeling wordt waargenomen voor de "vorm-anisotropie" MTJ's met verschillende diameters, waaronder apparaten van minder dan 10 nm (figuur 3).

De ontwikkelde MTJ kan werken met generaties toekomstige halfgeleidertechnologieën. De single-digit-nanometer MTJ komt overeen met meer dan 100 Giga-bit capaciteit, die ongeveer 100 keer groter is dan de huidige werkgeheugentechnologie.