Сверхтонкий сегнетоэлектрический конденсатор, разработанный японскими исследователями, демонстрирует сильную электрическую поляризацию, несмотря на толщину всего 30 нм, включая верхний и нижний электроды, что делает его пригодным для использования в электронике высокой плотности. Используя пленку нитрида алюминия, легированного скандием, в качестве сегнетоэлектрического слоя, команда добилась высокой остаточной поляризации даже при уменьшенной толщине. Этот прорыв демонстрирует хорошую совместимость с полупроводниковыми устройствами, объединяющими логические схемы и память, открывая путь к созданию компактной и эффективной памяти на кристалле для будущих технологий.
Современная электронная технология стремительно движется в направлении миниатюризации, создавая всё более компактные и при этом высокопроизводительные устройства. По мере уменьшения размеров устройств растёт спрос на сверхмалые запоминающие материалы, способные эффективно хранить данные даже в самых маленьких размерах. Ферроэлектрические запоминающие устройства являются перспективным вариантом для будущей мобильной и компактной электроники, поскольку они хранят информацию с помощью переключаемой электрической поляризации, что позволяет сохранять данные даже без питания. Однако лишь немногие инициативы сообщают о прогрессе в уменьшении размеров этих ферроэлектрических устройств.
Для преодоления этого разрыва исследовательская группа под руководством профессора Хироши Фунакубо из Школы материалов и химических технологий Токийского института науки (Science Tokyo), Япония, в сотрудничестве с корпорацией Canon ANELVA (Canon ANELVA) успешно уменьшила размер всей структуры ферроэлектрических конденсаторов памяти , используя тонкие пленки нитрида алюминия, замещенного скандием ((Al,Sc)N), с платиновыми электродами, снизив общую толщину до всего 30 нм, включая верхний и нижний электроды.
В состав исследовательской группы вошли Сошун Доко, аспирант, работающий одновременно в Science Tokyo и Canon ANELVA, доцент Казуки Окамото из Science Tokyo, а также доктор Наоко Мацуи, доктор Тошикадзу Ирисава и доктор Кодзи Цунекава из Canon ANELVA, Япония. Подробности их исследования были опубликованы в журнале Advanced Electronic Materials.
Как правило, в ферроэлектрических запоминающих устройствах используется простая многослойная конструкция, состоящая из слоя ферроэлектрического материала, заключенного между двумя металлическими электродами. Ферроэлектрический слой отвечает за хранение информации посредством переключаемой поляризации, в то время как электроды обеспечивают электрическое соединение и позволяют осуществлять переключение под действием напряжения.
«Предыдущие исследования по уменьшению размеров сегнетоэлектрической памяти были сосредоточены только на истончении сегнетоэлектрических слоев», — отмечает Фунакубо. «Наше исследование выделяется тем, что мы сосредоточились на уменьшении размеров всей структуры устройства, а не только сегнетоэлектрической пленки».
Для достижения той же цели исследователи разработали трехслойную структуру конденсатора, состоящую из пленки (Al 0.9 Sc 0.1 )N в качестве сегнетоэлектрического слоя, заключенной между платиновыми электродами. Тщательно сбалансировав толщину слоев с функциональными характеристиками, команда успешно создала оптимизированную полную структуру конденсатора толщиной всего 30 нм. Полученная структура конденсатора Pt/(Al 0.9 Sc 0.1 )N/Pt состояла из нижнего платинового электрода толщиной 5 нм, сегнетоэлектрического слоя (Al 0.9 Sc 0.1 )N толщиной 20 нм и верхнего платинового электрода толщиной 5 нм.
Впечатляющие характеристики объясняются присущими (Al,Sc)N сегнетоэлектрическими свойствами, обусловленными высокой остаточной поляризацией (поляризацией, сохраняющейся даже после снятия электрического поля). Кроме того, уменьшение размеров всей структуры указывает на возможность создания готового к применению конденсатора, подходящего для непосредственного встраивания в полупроводники и логические системы (блоки принятия решений в электронных устройствах).
«Результаты показали, что высокие ферроэлектрические характеристики могут сохраняться даже при резком уменьшении общей толщины конденсаторной структуры, и это приближает нас на один шаг к практическому внедрению сверхтонких запоминающих устройств», — говорит Фунакубо.
Кроме того, команда также обнаружила, что последующая термическая обработка нижнего платинового электрода при 840 °C улучшает его кристаллическую ориентацию и повышает переключение поляризации в более тонких пленках. Это подчеркивает важный шаг для сохранения ферроэлектрических характеристик при агрессивном уменьшении толщины.
В целом, исследование закладывает прочную основу для компактных ферроэлектрических запоминающих устройств и может вдохновить на уменьшение размеров других ферроэлектрических архитектур, таких как FeRAM и FTJ, которые в значительной степени зависят от стабильного переключения поляризации и сохранения данных. В будущем исследователи планируют изучить альтернативные материалы для электродов с более подходящей ориентацией кристаллов, что может снизить требования к термической обработке и повысить долговечность устройства. Эти улучшения могут ускорить разработку встроенной памяти для устройств Интернета вещей, что приведет к созданию более компактной, быстрой и энергоэффективной электроники.
