“低功耗高速运算AI芯片之路开启”……UNIST开发交叉相变存储器件
Yujeongu·Son Changhee教授团队开发基于交错结构RuO2的自旋隧道结器件
首次在隧道结器件中观测到隧道磁阻值反转，刊登于《Phys. Rev. Lett.》
利用一种名为“赝自旋铁磁体”的新型材料制成的半导体器件已经被开发出来。
有望为超高速、低功耗的人工智能半导体芯片开发提供助力。
蔚山科学技术院（UNIST）新材料工程系 Yoo Jeongwoo 教授团队与物理学系 Son Changhee 教授团队成功开发出基于氧化钌赝自旋铁磁体的磁隧道结器件，并在该器件中成功测量到具有有效幅值的隧道磁阻（Tunneling Magnetoresistance, TMR）。
研究团队（自左下角起逆时针方向）：Yoo Jeongwoo 教授、Noh Seunghyun 研究员（第一作者）、Kim Gyehyun 研究员（第一作者）、Son Changhee 教授。UNIST 提供
View original image磁隧道结器件是构成磁阻随机存取存储器（MRAM）这一存储半导体的核心器件。目前的磁阻随机存取存储器是基于铁磁体磁隧道结器件，因此尽管它属于非易失性、低功耗并可实现运算的人工智能存储器，其应用范围依然受到限制。
磁阻随机存取存储器不同于利用电子“电荷”的普通存储器，而是利用名为“自旋”的物理特性来写入和读取信息。但铁磁体这种材料的自旋在翻转时需要较大的能量，开关速度也有限，同时还具有对外部磁场干扰高度敏感的特性。
研究团队开发出了能够克服上述局限的赝自旋铁磁体基器件。赝自旋铁磁体与铁磁体材料一样可以通过自旋来存储信息，同时又不易受到外部磁场影响，并且能够实现超高速开关。
本次研究中，团队利用了被认为可能具有赝自旋铁磁体特性的氧化钌（RuO₂）。这一材料长期以来在学界被视为赝自旋铁磁体候选物，但对于其实验性质仍存在多种不同解读。
研究团队在高真空环境下以原子层级精确堆叠薄膜合成了氧化钌，并依次沉积绝缘层和上部铁磁层，制作出磁隧道结器件。
在实际器件中，当改变磁性层的磁化方向时，观测到了“隧道磁阻值”发生变化的现象。隧道磁阻值的变化，构成了表明该器件可实际用作磁性存储器器件的实验证据。
研究团队表示：“这是世界上首次在赝自旋铁磁体基磁隧道结器件中，实验上确认隧道磁阻值会随自旋方向而变化的案例，此项研究提高了基于赝自旋铁磁体器件的人工智能存储半导体实现的可能性”，“我们正在推进后续研究，以实现隧道磁阻值变化更加清晰的器件。”
本项研究在2024年9月启动的“极限挑战研究开发（R＆D）项目”的快速支持下，从材料合成到器件制作与测量，在不到1年的时间内完成并取得成果。
“极限挑战研究开发（R＆D）”是借鉴美国国防高级研究计划局（DARPA）模式，为能够开拓基础科学最前沿的高风险、高波及性课题提供快速实现路径而设计的韩国本土化项目。
总揽极限挑战研究开发（R＆D）项目的韩国研究财团负责人 Kim Dongho 表示：“本次研究成果得益于研究团队对以既有研发体系难以涉足的赝自旋铁磁领域进行大胆挑战的努力，以及极限挑战研究开发（R＆D）项目给予的快速支撑”，“今后我们将持续提供支持，推动这一技术成为半导体产业下一次飞跃的动力。”
本项研究由蔚山科学技术院（UNIST）新材料工程系研究员 Noh Seunghyun 和物理学系研究员 Kim Gyehyun 作为第一作者参与，并于6月20日发表在物理学领域最高权威期刊《Physical Review Letters》上。
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