Российские учёные получили материал на основе оксида гафния для памяти нового типа

Исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) впервые вырастили сверхтонкие (2,5 нанометра) сегнетоэлектрические плёнки на основе оксида гафния, которые могут стать основой для элементов энергонезависимой памяти нового типа.

Речь идёт о запоминающих устройствах на так называемых сегнетоэлектрических туннельных переходах. Сегнетоэлектрик — вещество способное «запоминать» направление приложенного внешнего электрического поля путём остаточной поляризации зарядов.

МФТИ

На основе тонкоплёночных сегнетоэлектриков уже давно изготавливают устройства энергонезависимой памяти, однако возможность их миниатюризации крайне ограничена. Около десяти лет назад, после того, как были продемонстрированы сегнетоэлектрические свойства в сверхтонких монокристаллических плёнках перовскитов, была предложена альтернативная концепция устройств памяти, основанная на использовании туннельного эффекта.

Сегнетоэлектрики являются изоляторами и не проводят электрический ток. Однако при очень малых толщинах сегнетоэлектрического слоя электроны с некоторой вероятностью всё же могут «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 выше). Таким образом, запись информации производится подачей напряжения на электроды, примыкающие к сверхтонкому сегнетоэлектрику, а считывание — измерением туннельного тока.

Теоретически такая память может обладать очень высокими показателями плотности, скоростей записи и считывания, а также низким энергопотреблением. Но есть проблема. До сих пор все изготовленные прототипы устройств на основе традиционных сегнетоэлектриков были несовместимы с кремниевой технологией. Теперь же российские учёные совместно с американскими и швейцарскими коллегами впервые экспериментально продемонстрировали, что сплавные поликристаллические плёнки оксидов гафния и циркония толщиной всего 2,5 нм сохраняют сегнетоэлектрические свойства.

Поперечное сечение изготовленной структуры / МФТИ

«Оксид гафния уже используется при производстве современных кремниевых логических микросхем, а несколько лет назад в одной из его модификаций были обнаружены сегнетоэлектрические свойства. Заслуга учёных из МФТИ состоит в том, что им удалось вырастить сверхтонкую, туннельно-прозрачную плёнку этого вещества на кремниевой подложке, сохранив при этом его сегнетоэлектрические свойства», — говорится в сообщении.

Таким образом, в перспективе на кремнии могут быть созданы новые устройства энергонезависимой памяти с использованием сегнетоэлектрических поликристаллических слоёв оксида гафния.