Прорыв на пути к созданию новых типов энергонезависимых ячеек памяти совершила группа исследователей из лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ и их коллеги из Германии и США. Ученым удалось создать уникальную методику измерения распределения электрического потенциала внутри так называемого сегнетоэлектрического конденсатора — основы элементов памяти будущего, которые будут работать на порядок быстрее сегодняшних флешек или твердотельных дисков и выдерживать в миллион раз больше циклов перезаписи. Работа опубликована в журнале Nanoscale, кратко о ней сообщает пресс-служба МФТИ.
Команда проводивших эксперимент ученых 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
Устройства постоянной (энергонезависимой, то есть сохраняющей информацию при выключении компьютера) памяти — твердотельные диски (SSD) и всем известные флешки — совершенствуются уже около трех десятков лет. Их емкость постоянно растет, они уже фактически вытеснили из пользовательского обихода лазерные компакт-диски. Однако традиционные магнитные диски с механическим шпинделем сдаваться не собираются: пока нет и речи о возможности их замены на SSD в системах, требующих повышенной надежности, например, в серверном оборудовании. Дело в том, что современные флешки изготовлены на основе транзисторов, и это ограничивает их скорость и надежность. Спустя примерно 105-106 циклов перезаписи флешка и SSD начинают деградировать: давать сбои, терять информацию, а то и вовсе отказываются работать.
Поэтому во всем мире немало ученых и инженеров участвуют в большой гонке за «новой флешкой» — энергонезависимой памятью, основанной на новых принципах и обеспечивающей кратное превосходство в скорости доступа, энергопотреблении и количестве возможных циклов перезаписи. Одним из наиболее перспективных материалов для «новой флешки» считается оксид гафния (HfO2). Этот диэлектрический материал стал известен после того, как его начали использовать в микроэлектронной промышленности: его применяют при изготовлении транзисторов в процессорах в качестве так называемого подзатворного диэлектрика. И вот около 10 лет назад группа немецких ученых обнаружила, что при определенных условиях (легировании, температурной обработке и др.) очень тонкий слой оксида гафния можно «переключить» в необычную для него кристаллическую структуру (фазу), которая вдобавок обладает сегнетоэлектрическими свойствами. Это значит, что под воздействием внешнего электрического поля в кристалле возникает остаточная поляризация, а значит, появляется возможность применять его для хранения двоичной информации.
«Идея использовать сегнетоэлектрики в качестве основы для энергонезависимой памяти не нова, — говорит Андрей Зенкевич, один из авторов работы, заведующий лабораторией функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ. — Однако все открытые ранее сегнетоэлектрики по разным причинам не могут быть использованы в современной наноэлектронике».
Открытие сегнетоэлектрических свойств HfO2 в определенной фазе заставило ученых вновь вернуться к идее постоянной памяти, основанной на диэлектриках этого типа: оксид гафния годится для современной электронной промышленности и, более того, давно освоен ей.
Элементарная ячейка памяти нового типа представляет собой тончайший — менее 10 нанометров — слой сегнетоэлектрического оксида гафния, к которому с двух сторон примыкают управляющие электроды. Конструкция похожа на обычный электрический конденсатор, но для того, чтобы сегнетоэлектрические конденсаторы можно было использовать в качестве ячеек памяти, необходимо добиться максимально возможной величины поляризации, а для этого — детально изучить физические свойства этого нанослоя. 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. В Гамбурге на синхротроне Deutsches Elektronen-Synchrotron были проведены измерения на прототипах будущих ячеек «новой памяти» — сегнетоэлектрических конденсаторах на основе оксида гафния, изготовленных в МФТИ.
Принципиальная схема проведенного эксперимента по измерению электрического потенциала в наноразмерных слоях сегнетоэлектрического HfO2: специально созданный прототип ячейки памяти был помещен в сверхвысоковакуумную камеру, где был подключен к аппаратуре, контролирующей ее электрическое состояние и позволяющей перезаписывать сохраненную в ней информацию прямо во время облучения. После этого на структуру был направлен сфокусированный пучок рентгеновского излучения под скользящим углом ~0,5°, что вызвало эффект так называемой «стоячей» волны рентгена в структуре. Возбужденные этой волной фотоэлектроны были зафиксированы с помощью специального анализатора, что и позволило узнать о величине электрического потенциала в слое оксида гафния. Источник: Nanoscale
«В основе методики лежит явление фотоэффекта, — говорит Юрий Матвеев, один из авторов работы. — Измеряя энергию вылетающих из сегнетоэлектрика фотоэлектронов в сочетании с определенными схемами облучения структур, мы смогли получить картину локального электрического потенциала по всей толщине слоя с нанометровым разрешением».
По словам Андрея Зенкевича, созданные коллегами в МФТИ 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.
