集成软磁材料及其应用：综述

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Integrated soft magnetic materials and applications: A review

　　

# 摘要

软磁材料凭借高磁导率、低矫顽力、低磁滞损耗和高饱和磁化强度，在现代电子和电磁系统中发挥着至关重要的作用，使其能够在高频下高效工作。本综述总结了近半个世纪以来集成高频软磁材料的发展，并对九大类别中的97种软磁材料进行了对比性能-空间分析，绘制了决定集成器件材料选择的各参数之间的权衡关系，包括饱和磁通密度、电阻率、磁致伸缩、磁导率、Gilbert阻尼和居里温度。重点聚焦于三个代表性体系：FeCoN薄膜、FeGaB磁致伸缩合金和旋喷法制备的铁氧体薄膜。FeCoN薄膜提供了极高的饱和磁通密度，同时保持了优异的软磁行为、机械硬度和耐腐蚀性。将氮引入溅射FeCo合金中，可实现约24 kG的饱和磁通密度，硬轴矫顽力低于10 Oe，突破了传统软磁金属20 kG的极限，实现了高性能磁记录写头和集成磁元件。FeGaB薄膜通过硼诱导的非晶化克服了磁软性与磁致伸缩之间的传统矛盾，展现出低矫顽力、窄铁磁共振线宽、高饱和磁致伸缩和高压磁系数，适用于应变介导的磁电和磁声器件，如电压可调电感/变压器/滤波器、磁天线、磁传感器和非互易磁声隔离器。旋喷法制备的MnZn和NiZn铁氧体薄膜提供了互补方案，通过低温水基沉积与半导体和印刷电路板兼容，在MHz–GHz频段提供高磁导率，适用于集成电感和射频磁器件。本文讨论了这些材料的合成、磁性能、器件演示和剩余挑战，并展望了未来集成磁学、磁电和磁声技术的发展方向，提出了三个体系交汇的五个前瞻性研究方向：面向人工智能供电的三维集成、面向5G和6G前端的片上宽带非互易性、面向混合量子磁子学的低温磁子-声子耦合、室温生物磁传感以及面向磁电和磁声器件性能增强的强室温磁子-声子耦合。

# 引言

五十年前，当本刊出版第一卷时，集成磁元件主要局限于铁氧体环形磁芯和块体金属磁芯。这些元件通常是厘米级器件，由永磁体偏置，与后来定义现代电子学的半导体制造工艺不兼容。在过去几十年里，这一情况发生了显著变化。集成在硅衬底上的磁性薄膜现在使器件占据面积小于一平方毫米成为可能，包括能够在超过每平方英寸1太比特的密度下写入比特的硬盘驱动器写头[1]、[2]、[3]、[4]、[5]，工作在千赫兹到吉赫兹范围的高品质因子射频和功率电感及变压器[3]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]（品质因子高达32.7），以及亚毫米级尺寸的超紧凑磁天线[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。这一进展并非仅通过增量式材料优化实现。相反，它通常由少数关键材料突破所驱动，这些突破解决了基本挑战或相互竞争的磁性能之间的矛盾，并开辟了新型器件类别。

集成软磁领域反复出现的第一个挑战是饱和磁化强度与磁软性之间的权衡。超高密度数据存储中写入高矫顽力记录介质以及紧凑电感中实现高磁能量密度，都需要高饱和磁通密度$B_s$和低矫顽力$H_c$[3]。然而，$B_s$最高的金属合金，如接近Slater-Pauling极大值约24.5 kG的二元FeCo[19]，通常表现出相对较大的矫顽力（$H_c > 5$ Oe）[20]。用于写极的传统软磁材料，如CoNiFe[21]和FeAlN[22]，在不牺牲磁软性的情况下无法达到超过20 kG的饱和磁通密度（$4\pi M_s$）。多年来，这一限制为写头极材料设定了约20 kG的有效上限。2000年，$(Fe_{0.7}Co_{0.3})_{1-x}N_x$（FeCoN）的引入是一项重大发展[2]、[23]，证明了在溅射FeCo合金中受控引入氮可以促进晶粒细化和应力松弛[2]、[24]、[25]、[26]，使FeCoN薄膜在保持相对磁导率$\mu_r = 1000–1400$（高达约1.2 GHz）的同时实现$B_s \approx 24$ kG[2]、[23]、[26]。

第二个挑战涉及磁软性与磁致伸缩之间的权衡。应变介导的磁电（ME）器件，如电压可调电感、磁天线、磁传感器和磁声隔离器，需要大的磁致伸缩[27]、[28]、[29]、[30]，因为它决定了机械应变如何有效地改变磁性能。然而，具有大磁致伸缩的金属材料，如Terfenol-D[31]、[32]、[33]和FeGa合金[34]、[35]、[36]，通常表现出相对较大的矫顽力和宽的铁磁共振线宽，限制了它们在低损耗微波器件中的应用。2007年，FeGaB薄膜作为解决此问题的方案被引入[37]。硼的引入诱导非晶结构，抑制磁晶各向异性的同时保持大磁致伸缩，使单一CMOS兼容的软磁材料展现出优越的磁性能：$H_c \approx 0.4$ Oe，$\Delta H \approx 16$ Oe，$\lambda_s \approx 70$ ppm[37]。

第三个挑战涉及铁氧体氧化物生长温度与CMOS片上电感和变压器之间的不兼容性。尖晶石铁氧体如NiZn和MnZn在GHz频率下具有高磁导率，并具有内在绝缘行为，可减少涡流损耗[38]、[39]。然而，传统铁氧体合成需要1100–1400°C的陶瓷烧结[40]、[41]，与半导体制造工艺不兼容。这一限制通过旋喷法铁氧体沉积得到解决，这是一种水基化学工艺，最早于1983年演示[42]，后来发展为集成电感应用[7]。该工艺在约90°C运行，可直接在半导体衬底、印刷电路板和RFIC封装上沉积结晶MnZn和NiZn铁氧体薄膜[43]，在GHz频率下磁性能超过块体铁氧体的Snoek极限[38]、[39]。

在本综述中，第2节概述了软磁材料体系，总结了9个类别中97种典型软磁材料的所有关键参数。第3–5节分别讨论了FeCoN、FeGaB和旋喷法铁氧体，阐明了如何克服集成软磁材料中的挑战。本综述从起源到当前发展考察了这三个材料体系，强调了挑战、每项突破背后的物理机制、关键里程碑的顺序以及由此产生的器件应用。第6节概述了未来研究方向，第7节给出结论。

# 软磁薄膜材料：全景概览

在详细考察每个材料体系之前，有必要将其置于软磁薄膜的更广阔图景中，并了解决定其对集成磁器件适用性的性能指标。表1汇总了按互斥且完备（MECE）元素分类法组织的9个类别中97种软磁材料的关键磁性能：（1）铁石榴石[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]、[53]、[54]。

## 软高磁矩磁性材料：高密度磁记录的瓶颈

全球数据存储的快速扩展持续要求更高的面密度，推动磁记录系统趋向已知的物理极限——超 paramagnetic limit[372]。在20世纪90年代末，磁记录面密度达到36.5 Gb/in2，年增长率为80%[2]。在面向每平方英寸太比特级别的面密度目标[373]时，超小存储比特的热能接近其磁各向异性能，导致…

## 克服磁致伸缩-磁软性矛盾

应变介导的磁电（ME）复合体的发展代表了过去几十年多铁性和磁电学研究中最重要的进展之一[30]。磁电（ME）复合体是两相复合体或异质结构，其中磁致伸缩层和压电层在其界面处机械耦合。这种耦合是双向的。在直接ME效应中，外加磁场诱导磁致伸缩应变…

## 高频磁性材料的背景、动机和挑战

现代人工智能（AI）数据中心和高性能计算（HPC）架构不断升级的能耗和极端性能需求，给供电系统和射频（RF）集成电路带来了前所未有的负担。单片集成已成为实现高度紧凑电源的最佳解决方案，推动了片上电源（PwrSoC）和封装内电源（PwrSiP）系统的快速发展[438]。未来…

# 未来展望

综合考察FeCoN、FeGaB和旋喷法铁氧体的发展，未来研究的若干共同方向变得清晰。这些材料沿着不同路径演进，但现在形成了互补的集成软磁技术平台。从这一视角出发，可以确定五个主要研究方向。每个方向都涉及所有三个材料体系的某些方面，并针对当前解决方案仍然有限的技术应用。

# 结论

本综述通过三个互补的薄膜体系——FeCoN、FeGaB和旋喷法尖晶石铁氧体——追溯了集成软磁材料及其应用的发展。它们的发展历程跨越了《磁学与磁性材料》期刊五十年的历史，从早期的实验室演示到商业技术，再到当前的研究前沿。这一发展过程中涌现出几个 overarching themes（贯穿主题）。

每个体系都解决了一个根本性的材料矛盾。

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# CRediT作者贡献声明

Bin Luo：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，调查，形式分析，概念化。
Steven Zhang：写作 – 审阅与编辑，调查，数据整理。
Sara Moezzi：写作 – 审阅与编辑，调查，数据整理。
Rui Huang：写作 – 审阅与编辑，数据整理。
Xiaoling Shi：资源，资金获取。
Hui Lu：资源，资金获取。
Hwaider Lin：资源，资金获取，概念化。
Nian Xiang Sun：写作

# 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

# 致谢

本工作由国家科学基金会FuSe奖 #2329062 资助，并通过Winchester Technologies, LLC的陆军SBIR合同 W31P4Q-22-C-0031 和 W31P4Q-23-C-0049 的分包合同资助。

Bin Luo | Steven Zhang | Sara Moezzi | Rui Huang | Xiaoling Shi | Hui Lu | Hwaider Lin | Nian Xiang Sun

美国马萨诸塞州波士顿东北大学电气与计算机工程系