Мы часть Московского инновационного кластера и инновационной экосистемы

Новая флешка из оксида гафния

Флешка из оксида гафния

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.

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.