Investigadores de la Universidad de Minnesota Twin Cities, junto con un equipo del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, por sus siglas en inglés), han desarrollado un proceso innovador para fabricar dispositivos espintrónicos que tiene el potencial de convertirse en el nuevo estándar de la industria para los chips semiconductores que componen las computadoras. teléfonos inteligentes y muchos otros dispositivos electrónicos. El nuevo proceso permitirá dispositivos de espintrónica más rápidos y eficientes que se pueden reducir más pequeños que nunca.

El artículo de los investigadores se publica en Advanced Functional Materials, una revista de ciencia de materiales de primer nivel revisada por pares.

« Creemos que hemos encontrado un material y un dispositivo que permitirá que la industria de los semiconductores avance con más oportunidades en la espintrónica que antes no existían para las aplicaciones informáticas y de memoria », dijo Jian-Ping Wang, autor principal del artículo. y profesor y Presidente Robert F. Hartmann en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Minnesota. « La espintrónica es increíblemente importante para construir microelectrónica con nuevas funcionalidades ».

Wang dijo que Minnesota ha estado liderando este esfuerzo a lo grande durante más de 10 años con un fuerte apoyo de la Corporación de Investigación de Semiconductores (SRC), la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) y la Fundación Nacional de Ciencias (NSF).

El equipo de Wang también ha trabajado con la comercialización de tecnología de la Universidad de Minnesota y el NIST para patentar esta tecnología, junto con varias otras patentes relacionadas con esta investigación. Este descubrimiento también abre una nueva vía de investigación para diseñar y fabricar dispositivos espintrónicos para la próxima década.

« Esto significa que Honeywell, Skywater, Globalfoundries, Intel y compañías como ellas pueden integrar este material en sus procesos y productos de fabricación de semiconductores », dijo Wang. « Eso es muy emocionante porque los ingenieros de la industria podrán diseñar sistemas aún más potentes ».

La industria de los semiconductores intenta constantemente desarrollar chips cada vez más pequeños que puedan maximizar la eficiencia energética, la velocidad informática y la capacidad de almacenamiento de datos en dispositivos electrónicos. Los dispositivos espintrónicos, que aprovechan el giro de los electrones en lugar de la carga eléctrica para almacenar datos, brindan una alternativa prometedora y más eficiente a los chips tradicionales basados ​​en transistores. Estos materiales también tienen el potencial de ser no volátiles, lo que significa que requieren menos energía y pueden almacenar memoria y realizar operaciones informáticas incluso después de quitarles la fuente de alimentación.

Los materiales espintrónicos se han integrado con éxito en chips semiconductores durante más de una década, pero el material espintrónico estándar de la industria, el cobalto, el hierro y el boro, ha alcanzado un límite en su escalabilidad. Actualmente, los ingenieros no pueden fabricar dispositivos de menos de 20 nanómetros sin perder su capacidad de almacenar datos.

Los investigadores de la Universidad de Minnesota han sorteado este problema al demostrar que el hierro paladio, un material alternativo al cobalto hierro boro que requiere menos energía y tiene el potencial de almacenar más datos, se puede reducir a tamaños tan pequeños como cinco nanómetros.

Y, por primera vez, los investigadores pudieron cultivar paladio de hierro en una oblea de silicio utilizando un sistema de pulverización catódica de vacío ultraalto de cámaras múltiples con capacidad para obleas de 8 pulgadas, un equipo único en su tipo entre las instituciones académicas de todo el mundo. el país y solo está disponible en la Universidad de Minnesota.

« Este trabajo muestra por primera vez en el mundo que se puede hacer crecer este material, que se puede reducir a menos de cinco nanómetros, sobre un sustrato compatible con la industria de semiconductores, las llamadas estrategias CMOS+X », dijo. Deyuan Lyu, primer autor del artículo y Ph.D. estudiante en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Minnesota.

« Nuestro equipo se desafió a nosotros mismos a elevar un nuevo material para fabricar dispositivos espintrónicos necesarios para la próxima generación de aplicaciones hambrientas de datos », dijo Daniel Gopman, científico del personal del NIST y uno de los contribuyentes clave de la investigación. « Será emocionante ver cómo este avance impulsa un mayor crecimiento de los dispositivos de espintrónica dentro del panorama de la tecnología de chips semiconductores ».

Esta investigación fue financiada por una subvención de cuatro años de $ 4 millones de DARPA y en parte por NIST; SMART, uno de los siete centros de nCORE, un programa SRC; y NSF.

Además de Wang, Gopman y Lyu, el equipo de investigación estuvo compuesto por investigadores de la Facultad de Ciencias e Ingeniería de la Universidad de Minnesota, incluidos los investigadores del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática Qi Jia, William Echtenkamp y Brandon Zink; el investigador del Departamento de Ingeniería Mecánica Dingbin Huang y el profesor asociado Xiaojia Wang; y los investigadores del Centro de Caracterización Javier García-Barriocanal, Geoffrey Rojas y Guichuan Yu. La investigadora del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, Jenae Shoup, también contribuyó a la investigación.