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东芝验证自旋MOSFET的基本性能

    东芝试制出了利用电子自旋(Spin)特性实现非易失性等新功能的MOS FET(自旋MOSFET),并对其基本性能进行了验证(论文编号9.2)。东芝称这是该领域的首项研究成果。该公司力争在2010年代后半期使用于可进行逻辑重构(Reconfigurable)的逻辑LSI等达到实用水平。

  自旋MOS FET是利用强磁体构成源漏极(Source Drain),对通过通道的自旋方向一致的电子流进行控制的MOSFET。2004年东京工业大学副教授菅原聪和东京大学教授田中雅明共同提出了其基本概念。这种MOSFET的电导率(Conductance)会随着源极和漏极的磁化相对取向(同向或反向)发生变化,可通过磁化技术使这两个方向的电导率保持非易失性。也就是说,该产品作为具有非易失性内存功能的MOSFET运行。由于沿用现行的MOSFET结构,因此与此前人们提出的采用二次元电子传导方式的化合物半导体类自旋晶体管相比,更适于高集成化。

    展会开幕前东芝在东京总部举行了记者会。照片中人物是主导此次开发的东芝研究开发中心LSI基础技术实验室研究主任齐藤好昭。

    此次东芝在源漏极中采用属于半金属(电子自旋方向容易趋于一致的强磁体)的哈斯勒合金(Co2Fe(Al,Si))试制出了自旋MOSFET。漏极端采用以两层Co2Fe(Al,Si)夹住MgO的强磁隧道结(MTJ)结构,可通过自旋注入磁化反转技术,使漏极电极的磁化方向发生反转。这一特性可使自旋MOSFET改写所保存的数据。由于此次的目的是验证其基本性能,因此未采用普通的顶栅(TopGate)结构,而是采用了经由BOX(埋入氧化膜)层从硅底板端进行栅极控制的背栅(Back Gate)结构。

    东芝对此次试制的自旋MOSFET的基本性能进行了一系列验证。包括通道电流会依赖栅极电压发生变化;源漏极的磁化相对取向不同会造成电导率发生改变;可反复进行3万次以上的数据读写。

    该公司认为自旋MOS FET有望成为超越现有MOS FET性能界限的新型逻辑运算元件。计划今后继续推进自旋MOSFET的集成化等,争取2010年代后半期应用于可重构型逻辑LSI等。采用自旋MOS FET时,与现有FPGA(fieldprogrammable gatearray)相比,芯片面积、运行速度及耗电量等方面均占优势。比如,晶体管数量估计可减至现行FPGA的1/3左右。

    此次的部分成果是通过东芝、物质材料研究机构、东京大学及东京工业大学参与的NEDO(日本新能源产业技术综合开发机构)的委托业务"采用高自旋极化率材料的自旋MOSFET的研发"取得的。

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