МФТИ Сегнетоэлектрические конденсаторы

2019: Прорыв в создании энергонезависимых ячеек памяти

27 ноября 2019 года Московский физико-технический институт (МФТИ) сообщил TAdviser о том, что группа исследователей из лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ и коллеги, работающие в Германии и США, совершили прорыв на пути к созданию неизвестных типов энергонезависимых ячеек памяти. Ученым удалось создать методику измерения распределения электрического потенциала внутри так называемого сегнетоэлектрического конденсатора — основы элементов памяти будущего, которые будут работать на порядок быстрее существующих на ноябрь 2019 года флешек или твердотельных дисков и выдерживать в миллион раз больше циклов перезаписи.

Команда ученых, проводивших эксперимент, возле установки высокоэнергетической рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии на синхротроне PETRA III, Гамбург. Слева направо: Андрей Глосковский, Юрий Матвеев, Дмитрий Негров, Виталий Михеев и Андрей Зенкевич. Предоставлено Андреем Зенкевичем

В электронной промышленности всего мира идет гонка за «новой флешкой» — энергонезависимой памятью, основанной на современных принципах и обеспечивающей кратное превосходство в скорости доступа и количестве возможных циклов перезаписи над существующей флешкой и твердотельным диском (SSD). Наиболее перспективной основой «новой флешки» считается оксид гафния (HfO2), давно известный в электронной промышленности. Этот аморфный диэлектрик при определенных условиях (легировании, температурной обработке и др.) может образовывать стабильные кристаллы, обладающие сегнетоэлектрическими свойствами — способностью «помнить» о приложенном электрическом поле.

Разработанная ячейка памяти представляет собой тончайший — менее 10 нанометров — слой оксида гафния, к которому с двух сторон примыкают электроды. Конструкция похожа на обычный электрический конденсатор. Но для того, чтобы сегнетоэлектрические конденсаторы можно было использовать в качестве ячеек памяти, необходимо добиться максимально возможной поляризации, а для — этого детально изучить физические процессы, которые происходят внутри нанослоя в момент явления. Одна из важнейших частей этого знания — представление о том, как распределяется электрический потенциал внутри слоя при подаче напряжения на электроды. За десять лет, прошедших с момента открытия сегнетоэлектрической фазы HfO2, никому из исследователей не удавалось изучить это распределение потенциала непосредственно: использовали только различные математические модели. А авторам опубликованной работы — удалось.

Для этого они применили метод так называемой высокоэнергетической рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Специальная методика, разработанная сотрудниками МФТИ, требовала применения рентгеновского излучения, которое можно получить только на специальных ускорителях-синхротронах. Такой находится в Гамбурге (ФРГ). Там и были проведены измерения на прототипах будущих ячеек «новой памяти» — сегнетоэлектрических конденсаторах на основе оксида гафния, изготовленных в МФТИ.

Созданные в нашей лаборатории сегнетоэлектрические конденсаторы, если их применить для промышленного изготовления ячеек энергонезависимой памяти, способны обеспечить 1010 циклов перезаписи — в сто тысяч раз больше, чем допускают современные компьютерные флешки, утверждает Андрей Зенкевич, один из авторов работы, заведующий лабораторией функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ

Еще одно важное преимущество устройств памяти на сегнетоэлектриках — их полная, в отличие от полупроводниковых накопителей, нечувствительность к радиационному воздействию. «Новая флешка» сможет работать даже в космосе: ей не страшно космическое излучение.

Работа была поддержана Российским научным фондом.