连续电流导致的器件故障导致了可以改进微电子器件设计的发现

明尼苏达大学双子城分校的研究人员领导的一项新研究为下一代电子产品（包括计算机中的存储组件）如何随着时间的推移而分解或退化提供了新的见解。了解退化的原因有助于提高数据存储解决方案的效率

这项研究发表在ACS Nano上，并登上了该杂志的封面

计算技术的进步继续增加了对高效数据存储解决方案的需求。自旋电子磁隧道结（MTJ）——利用电子自旋改进硬盘驱动器、传感器和其他微电子系统（包括磁随机存取存储器（MRAM））的纳米结构器件——为下一代存储器件创造了有前景的替代品

MTJ一直是智能手表和内存计算等产品中非易失性存储器的构建块，有望提高人工智能的能源效率。

研究人员使用复杂的电子显微镜观察了这些系统中的纳米柱，这些纳米柱是设备内极小的透明层。研究人员让电流流过设备，看看它是如何工作的。随着电流的增加，他们能够实时观察到器件是如何退化并最终死亡的

“实时透射电子显微镜（TEM）实验可能具有挑战性，即使对经验丰富的研究人员来说也是如此，”该论文的第一作者、明尼苏达大学化学工程与材料科学系的博士后研究员Hwanhui Yun博士说。“但经过几十次故障和优化，工作样本一直在生产。”

通过这样做，他们发现，随着时间的推移，在持续电流的情况下，设备的各层会被挤压，导致设备发生故障。之前的研究对此进行了理论化，但这是研究人员第一次能够观察到这一现象。一旦设备形成“针孔”（夹紧），它就处于退化的早期阶段。随着研究人员继续向设备添加越来越多的电流，它会融化并完全烧坏

“这一发现的不同寻常之处在于，我们观察到这种燃烧的温度比之前的研究认为的要低得多，”该论文的资深作者、明尼苏达大学化学工程与材料科学系的Ray D.和Mary T.Johnson教授兼教授Andre Mkhoyan说。“温度几乎是之前预期温度的一半。”

研究人员在原子尺度上更仔细地观察了该设备，发现较小的材料具有非常不同的特性，包括熔化温度。这意味着该设备将在与以往任何人都不知道的时间范围内完全失效

该论文的资深作者、明尼苏达大学电气与计算机工程系杰出的McKnight教授和Robert F.Hartmann讲座教授王建平说：“在实际工作条件下，如施加电流和电压，对实时了解层间界面的需求很高，但以前没有人达到过这样的理解水平。”

研究人员希望这些知识可以在未来用于改进计算机存储单元的设计，以提高寿命和效率

除了Yun、Mkhoyan和Wang之外，该团队还包括明尼苏达大学电气与计算机工程系博士后研究员Deyuan Lyu、研究助理Yang Lv、前博士后研究员Brandon Zink以及亚利桑那大学物理系的研究人员 More information: Hwanhui Yun et al, Uncovering Atomic Migrations Behind Magnetic Tunnel Junction Breakdown, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.4c08023

Journal information: ACS Nano