L’article des chercheurs est publié dans Matériaux fonctionnels avancés, une revue de science des matériaux de haut niveau évaluée par des pairs.

« Nous pensons avoir trouvé un matériau et un dispositif qui permettront à l’industrie des semi-conducteurs d’aller de l’avant avec plus d’opportunités dans la spintronique qui n’existaient pas auparavant pour les applications de mémoire et de calcul », a déclaré Jian-Ping Wang, auteur principal de l’article. et professeur et titulaire de la chaire Robert F. Hartmann du département de génie électrique et informatique de l’Université du Minnesota. « La spintronique est extrêmement importante pour construire une microélectronique avec de nouvelles fonctionnalités. »

Wang a déclaré que le Minnesota menait cet effort de manière considérable depuis plus de 10 ans avec le soutien solide de la Semiconductor Research Corporation (SRC), de la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) et de la National Science Foundation (NSF).

L’équipe de Wang a également travaillé avec l’Université du Minnesota Technology Commercialization et le NIST pour breveter cette technologie, ainsi que plusieurs autres brevets liés à cette recherche. Cette découverte ouvre également une nouvelle voie de recherche pour la conception et la fabrication de dispositifs spintroniques pour la prochaine décennie.

« Cela signifie que Honeywell, Skywater, Globalfoundries, Intel et des entreprises comme elles peuvent intégrer ce matériau dans leurs processus et produits de fabrication de semi-conducteurs », a déclaré Wang. « C’est très excitant car les ingénieurs de l’industrie pourront concevoir des systèmes encore plus puissants. »

L’industrie des semi-conducteurs essaie constamment de développer des puces de plus en plus petites qui peuvent maximiser l’efficacité énergétique, la vitesse de calcul et la capacité de stockage de données dans les appareils électroniques. Les dispositifs spintroniques, qui exploitent le spin des électrons plutôt que la charge électrique pour stocker des données, offrent une alternative prometteuse et plus efficace aux puces traditionnelles à base de transistors. Ces matériaux ont également le potentiel d’être non volatils, ce qui signifie qu’ils nécessitent moins d’énergie et peuvent stocker de la mémoire et effectuer des calculs même après avoir retiré leur source d’alimentation.

Les matériaux spintroniques sont intégrés avec succès dans les puces semi-conductrices depuis plus d’une décennie maintenant, mais le matériau spintronique standard de l’industrie, le cobalt fer bore, a atteint une limite dans son évolutivité. Actuellement, les ingénieurs sont incapables de fabriquer des appareils de moins de 20 nanomètres sans perdre leur capacité à stocker des données.

Les chercheurs de l’Université du Minnesota ont contourné ce problème en montrant que le fer palladium, un matériau alternatif au cobalt fer bore qui nécessite moins d’énergie et a le potentiel de stocker plus de données, peut être réduit à des tailles aussi petites que cinq nanomètres.

Et, pour la première fois, les chercheurs ont pu faire pousser du palladium de fer sur une plaquette de silicium à l’aide d’un système de pulvérisation ultra-vide multi-chambres de 8 pouces, un équipement unique en son genre parmi les institutions universitaires à travers le pays et uniquement disponible à l’Université du Minnesota.

« Ce travail montre pour la première fois au monde que vous pouvez développer ce matériau, qui peut être réduit à moins de cinq nanomètres, sur un substrat compatible avec l’industrie des semi-conducteurs, les stratégies dites CMOS + X », a déclaré Deyuan Lyu, premier auteur de l’article et titulaire d’un doctorat. étudiant au département de génie électrique et informatique de l’Université du Minnesota.

« Notre équipe s’est mise au défi d’élever un nouveau matériau pour fabriquer les dispositifs spintroniques nécessaires à la prochaine génération d’applications gourmandes en données », a déclaré Daniel Gopman, scientifique au NIST et l’un des principaux contributeurs à la recherche. « Il sera passionnant de voir comment cette avancée entraînera une croissance supplémentaire des dispositifs de spintronique dans le paysage technologique des puces à semi-conducteurs. »

Cette recherche a été financée par une subvention de 4 millions de dollars sur quatre ans de la DARPA et en partie par le NIST ; SMART, l’un des sept centres de nCORE, un programme SRC ; et NSF.

En plus de Wang, Gopman et Lyu, l’équipe de recherche comprenait des chercheurs de l’Université du Minnesota à travers le Collège des sciences et de l’ingénierie, y compris les chercheurs du Département de génie électrique et informatique Qi Jia, William Echtenkamp et Brandon Zink ; le chercheur du département de génie mécanique Dingbin Huang et le professeur agrégé Xiaojia Wang ; et les chercheurs de l’installation de caractérisation Javier García-Barriocanal, Geoffrey Rojas et Guichuan Yu. La chercheuse de l’Institut national des normes et de la technologie, Jenae Shoup, a également contribué à la recherche.