明尼苏达大学的研究人员与美国国家标准与技术研究院(NIST)的一个团队一起开发了一种突破性的自旋电子器件制造工艺，该工艺有可能成为对计算机，智能手机和许多其他电子产品至关重要的半导体芯片的新行业标准。新工艺将允许更快，更高效的自旋电子学设备，可以比以往更小地缩小。

该论文发表在Advanced Functional Materials上。

“我们相信我们已经找到了一种材料和一种设备，可以让半导体行业在自旋电子学方面获得更多的机会，这是以前在存储器和计算应用中没有的，”该论文的资深作者，科学与工程学院教授王建平说。

半导体行业一直在尝试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。这些材料还具有非易失性的潜力，这意味着它们需要更少的功率，即使在移除电源后也可以存储内存和执行计算。

行业标准的自旋电子材料钴铁硼已达到其可扩展性的极限。研究人员通过证明铁钯(一种需要更少能量且具有更多数据存储潜力的替代材料)可以缩小到更小的尺寸来规避这个问题。

“这意味着霍尼韦尔，Skywater，格芯，英特尔和类似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，”王说。“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。

Wang的团队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设计和制造自旋电子器件开辟了新的研究脉络。

王说，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，已经领导了这项工作10多年。

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，仅在明尼苏达大学可用。

“这项工作首次在世界上表明，你可以在半导体行业兼容的衬底上生长这种材料，它可以缩小到小于五纳米，即所谓的CMOS + X策略，”该论文的第一作者，科学与工程学院的博士生Deyuan Lyu说。

“我们的团队挑战自己，提升一种新材料来制造下一代数据饥渴应用程序所需的自旋电子学设备，”NIST的科学家Daniel Gopman说，他是该研究的主要贡献者之一。“看到这一进步如何推动半导体领域自旋电子学器件的进一步发展将是令人兴奋的。