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本文1674字，阅读约需5分钟

摘要：利用“闪光灯退火”的毫秒级光脉冲热处理技术，使磁性存储器和磁性传感器中使用的典型自旋电子器件——磁性隧道结（MTJ）在约1.7秒内达到实用水平性能。

关键词：自旋电子器件、闪光灯退火、快速热处理、磁性隧道结（MTJ）、结晶化

要点

证实了一种超高速热处理技术，通过毫秒级光脉冲反复照射，可在约1.7秒内使得用于磁性存储器和磁性传感器的磁性隧道结（MTJ）达到实用水平性能。
传统的热处理中，为有效控制MTJ的结晶化与元素扩散以获得实用水平的性能，需要利用热处理炉进行数十分钟至数小时的高温处理，。
该技术有望促进自旋电子器件制造工艺的高效化和节能化，在下一代存储器、高灵敏度磁性传感器，乃至柔性基材上的自旋动力学传感器的量产技术中得到应用。

概要

研究团队成功利用一种被称为“闪光灯退火”的毫秒级光脉冲热处理技术，使磁性存储器和磁性传感器中使用的典型自旋电子器件——磁性隧道结（MTJ）在约1.7秒内达到实用水平性能（图1）。

闪光灯退火在半导体等领域已不算陌生，本研究首次将其应用于MTJ，通过短时间的非平衡加热实现了功能显现。在MTJ的热处理过程中，控制构成器件的多层纳米薄膜的结晶化和元素扩散至关重要，而传统方法需要数十分钟至数小时的长时间加热才能完成优化。本方法可将器件制备所需的处理时间大幅缩短至原来的数千分之一。

该成果不仅有望促进自旋电子器件制造工艺的高效化、节能化，同时在下一代存储器、高灵敏度磁性传感器，乃至柔性基材上形成的自旋动力学传感器中得到应用。

图1. 通过闪光灯退火实现磁性隧道结瞬时热处理的示意图

研究背景

MTJ是一种用于磁性存储器（MRAM）和磁性传感器的自旋电子器件。其中，由Co-Fe-B/MgO/Co-Fe-B构成的MTJ表现出较高的隧穿磁阻（TMR）效应，成为广泛应用的代表性材料体系。这些MTJ通过成膜后的热处理，在元素扩散的同时磁性体层Co-Fe-B层和隧穿屏障层MgO层发生结晶化，从而获得实用化所必需的高电阻变化率。以往采用热处理炉，在300～500℃左右加热数十分钟至数小时，以优化器件性能。

闪光灯退火是一种用于半导体工艺等的超高速热处理技术，通过氙气（Xe）灯产生的闪光脉冲照射，可瞬间将材料表面加热至高温。这种极短时间的非平衡加热，使材料形成过程能够在与传统热处理不同的时间尺度上进行。本研究将闪光灯退火技术应用于MTJ，致力于实现大幅缩短热处理时间的同时发挥器件功能。

研究内容

图2. 反复照射光脉冲时，隧穿磁阻比随时间累积的变化。☆表示通过常规热处理（热处理炉）获得的结果。

研究团队采用闪光灯退火技术对MTJ进行了热处理，成功获得了约100%的TMR比。传统热处理需要数十分钟至数小时，而该方法通过反复照射毫秒级光脉冲，使MTJ表面瞬间加热至1000℃左右，仅用约1.7秒的极短时间即可获得与传统方法相当的特性（图2）。

通过透射电子显微镜（TEM）对截面进行观察，确认经过闪光灯退火后的MTJ中，与MgO层交界的Co-Fe-B层上发生结晶化。此外，利用能量色散X射线分析（EDX）对元素分布进行评价，发现与传统热处理相比，Co-Fe-B层中B元素的扩散行为存在差异。特别是，闪光灯退火在短时间进行非平衡加热，使得在元素扩散受到相对抑制的同时仍可实现结晶化。这一结果表明，闪光灯退火过程中出现了与传统热处理不同的结晶化和元素扩散行为。未来有望借助NanoTerasu等同步辐射光源设施进行更详细的结构分析，进一步加深对非平衡过程中结晶化与扩散关系的理解。

研究意义

本研究成果表明，有望大幅缩短以磁性隧穿结（MTJ）为代表的自旋电子器件的热处理工艺时间。若能将以往需要数十分钟至数小时的热处理缩短至数秒左右，将有助于提升制造工艺的吞吐量、降低能耗，从而显著提高器件制造效率。

此外，闪光灯退火技术还具有可精确控制加热深度的特点。利用这一特性，若能够在以往高温工艺难以适用的柔性基材和生物相容性材料上形成器件，将有望拓展在柔性基材上形成自旋动力学传感器等新型应用。

研究人员评论

“本研究起源于能否将闪光灯退火应用于自旋电子器件的兴趣，结果表明该技术也可用于实用性磁隧道结的制造工艺。该技术有望得到进一步应用，例如基于元素扩散与结晶化的时间尺度差异进行器件设计，开发抑制对基材的热损伤、生物相容性高的器件热处理方法。”

https://www.sanken.osaka-u.ac.jp/achievement/release/20260512.html

https://doi.org/10.1038/s44306-026-00145-z

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用毫秒级光脉冲照射磁性存储传感器，约1.7 秒内完成热处理过程