Миниатюрная память из оксида гафния становится эффективнее при уменьшении размеров

Команда ученых из Института науки Токио под руководством профессора Ютаки Мадзимы достигла значимого успеха в области создания энергонезависимой памяти, разработав сегнетоэлектрический туннельный переход (FTJ) с габаритами всего 25 нанометров. Важнейшим итогом исследования стал парадоксальный факт: вопреки сложившимся канонам микроэлектроники, характеристики устройства при уменьшении размеров не ухудшаются, а, напротив, становятся лучше.

Фундамент современной вычислительной техники зиждется на постоянной циркуляции электрических зарядов, что неизбежно ведет к тепловыделению и ускоренному расходу заряда аккумуляторов. Технология FTJ опирается на сегнетоэлектрический эффект — способность материала изменять внутреннюю поляризацию. Это дает возможность кодировать данные (биты 0 и 1), варьируя интенсивность протекания тока через структуру, что требует несоизмеримо меньше энергии. Долгое время масштабирование таких систем сдерживалось паразитной утечкой тока через дефекты кристаллической структуры материала.

Сегнетоэлектрический туннельный переход представляет собой миниатюрный узел, состоящий из двух электродов и тончайшей прослойки сегнетоэлектрика, через которую электроны проходят посредством квантового туннелирования. Примечательно, что ориентация поляризации этого слоя напрямую влияет на вероятность туннелирования и, как следствие, на электрическое сопротивление. Это позволяет сохранять информацию в двух стабильных состояниях даже при отключенном питании. Благодаря своей высокой скорости, превосходной масштабируемости и способности имитировать работу синапсов (что идеально подходит для нейроморфных вычислений), подобные переходы признаны перспективной альтернативой традиционной флеш-памяти.

Данная технология находится в центре внимания специалистов по материаловедению как потенциальный фундамент для систем нового поколения (пост-кремниевой электроники), однако до недавнего времени оставались нерешенными вопросы стабильности, повторяемости результатов и адаптации к промышленным мощностям.

Японским исследователям удалось купировать проблему утечек за счет использования оксида гафния — соединения, сохраняющего поляризационные свойства даже при экстремально малой толщине. Для устранения структурных несовершенств коллектив разработал инновационную технологию производства, подразумевающую придание электродам полукруглой формы под воздействием температуры. Такая геометрия максимально приближает структуру к состоянию монокристалла, радикально сокращая количество границ, провоцирующих утечку заряда.

Экспериментальные данные подтвердили: экстремальная миниатюризация не только не нарушает функциональность памяти, но и оптимизирует её параметры. Поскольку оксид гафния уже прочно внедрен в полупроводниковую индустрию, переход к коммерческому производству данной технологии может произойти в ближайшем будущем.

Массовое внедрение подобных накопителей позволит создавать носимые гаджеты, способные автономно функционировать месяцами, и значительно повысить энергоэффективность аппаратного обеспечения для искусственного интеллекта. Профессор Мадзима подчеркнул, что этот прорыв стал возможен благодаря смелому пересмотру устаревших представлений о физических ограничениях масштабирования.

Источник: iXBT