Ученые из МФТИ впервые вырастили сверхтонкие (2,5 нанометра) сегнетоэлектрические пленки на основе оксида гафния, которые могут стать основой для элементов энергонезависимой памяти именуемых сегнетоэлектрическими туннельными переходами. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Appl. Mater. Interfaces.
Человечество постоянно увеличивает объем хранимой и обрабатываемой информации, который, по статистике, удваивается каждые 1,5 года. Для ее хранения требуется все больше компьютерной памяти, прежде всего энергонезависимой, то есть такой, которая хранит информацию при отключении электропитания. Ученые по всему пытаются создать более быстрые и миниатюрные запоминающие устройства. Идеалом была бы «универсальная» память, которая обладает быстротой оперативной памяти, объемом данных жесткого диска и знергонезависимостью флешки.
Известно множество принципов, на которых может быть построена память, но каждый имеет свои недостатки. Поэтому современные компьютеры и мобильные устройства содержат несколько видов памяти.
Перспективной, но на сегодняшний день не реализованной в производстве, является энергонезависимая память на так называемых сегнетоэлектрических туннельных переходах. Сегнетоэлектрик — вещество способное «запоминать» направление приложенного внешнего электрического поля путем остаточной поляризации зарядов.
На основе тонкопленочных сегнетоэлектриков уже давно изготавливают устройства энергонезависимой памяти, однако возможность их миниатюризации крайне ограничена, к тому же в них используются материалы, которые «не дружат» с технологическими процессами современной микроэлектроники.
Около десяти лет назад, после того, как были продемонстрированы сегнетоэлектрические свойства в сверхтонких монокристаллических пленках перовскитов, была предложена альтернативная концепция устройств памяти, основанная на использовании туннельного эффекта.
В принципе, сегнетоэлектрики являются изоляторами и не проводят электрический ток. Однако, при очень малых толщинах сегнетоэлектрического слоя электроны с некоторой вероятностью все же могут может «проскочить» сквозь него, благодаря туннельному эффекту, имеющему квантовую природу. Вероятность туннелирования зависит от размера и формы потенциального барьера (энергетической характеристики структуры), а «проскочившие» электроны образуют туннельный ток.
Движение электронов в этом случае напоминает бег с препятствиями, а величина этого препятствия определяется направлением вектора поляризации, который меняет форму потенциального барьера (см. рисунок). Таким образом, запись информации производится подачей напряжения на электроды, примыкающие к сверхтонкому сегнетоэлектрику, а считывание — измерением туннельного тока.
Принцип работы сегнетоэлектрического туннельного перехода на основе кремния
Запись осуществляется приложением внешнего электрического поля, которое меняет направление вектора поляризации сегнетоэлектрика, меняя форму потенциального барьера. Чтение производится измерением туннельного тока, который зависит от формы барьера. Изображение предоставлено авторами работы.
Теоретически, такая память может обладать исключительно высокой плотностью, скоростью записи и считывания, а также низким энергопотреблением. Она может стать энергонезависимой альтернативой для динамический оперативной памяти. Современная динамическая оперативная память имеет короткое (порядка 0,1 секунды) время хранения, по прошествии которого данные либо теряются, либо перезаписываются. Использование такой памяти требует большого количества энергии. Память на основе сегнетоэлектрического туннельного перехода сможет экономить энергию, что особенно важно для портативных устройств, работающих на аккумуляторе. Однако, до настоящего момента, все изготовленные прототипы устройств на основе традиционных сегнетоэлектриков были несовместимы с кремниевой технологией, которая используется для производства большинства современных микросхем.
Команда исследователей из лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ, при участии коллег из Университета Небраски (США) и Университета Лозанны (Швейцария), впервые экспериментально продемонстрировала, что сплавные поликристаллические пленки оксидов гафния и циркония толщиной всего 2.5 нм (см. рисунок) сохраняют сегнетоэлектрические свойства.
Оксид гафния уже используется при производстве современных кремниевых логических микросхем, а несколько лет назад в одной из его модификаций были обнаружены сегнетоэлектрические свойства. Заслуга ученых из МФТИ состоит в том, что им удалось вырастить сверхтонкую, туннельно-прозрачную пленку этого вещества на кремниевой подложке, сохранив при этом его сегнетоэлектрические свойства.
Поперечное сечение изготовленной структуры: сплавная поликристаллическая пленка оксидов гафния и циркония, выращенная на подложке высоколегированного кремния (верхний электрод- нитрид титана). Изображение предоставлено авторами работы.
Важно, что для роста пленки использовался метод атомно-слоевого осаждения, который сегодня широко применяется в производстве современных микропроцессоров. Метод хорош еще и тем, что позволяет растить функциональные слои в трехмерных структурах.
«Поскольку структуры из этого материала совместимы с кремниевой технологией, можно рассчитывать, что в ближайшем будущем непосредственно на кремнии могут быть созданы новые устройства энергонезависимой памяти с использованием сегнетоэлектрических поликристаллических слоев оксида гафния», — говорит ведущий автор исследования, заведующий лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники Андрей Зенкевич.
Более того, если сегнетоэлектрические туннельные переходы на основе оксида гафния будут созданы, то в них можно надеяться продемонстрировать так называемые мемристорные свойства. Последнее является необходимым условием для создания электронных синапсов, которые могут быть использованы в разрабатываемых сейчас нейроморфных системах с принципиальной иной архитектурой вычислений, воспроизводящей принципы работы человеческого мозга.Исследование поддержано грантом Российского научного фонда №14-16-01698 и программой повышения конкурентоспособности МФТИ «5-100». В работе использовано технологическое и аналитическое оборудование центра коллективного пользования уникальным научным оборудованием в области нанотехнологий МФТИ.
