Мгновенная загрузка, энергоэффективность и почти бесконечный ресурс перезаписи – всё это способна обеспечить память на основе сегнетоэлектриков. Эти материалы поддерживают поляризацию после снятия внешнего электрического поля, что позволяет сохранять всю информацию даже без доступа к сети питания. Кроме того, сегнетоэлектрики могут работать в пленках толщиной всего в несколько нанометров, которые удобно использовать в миниатюрных чипах. Такие материалы могут находиться не только в двух состояниях («0» и «1»), но и во множестве промежуточных. Поэтому на их основе можно создавать транзисторы, которые имитируют работу синапсов в человеческом мозге.
В новом цикле работ ученые МФТИ научились прогнозировать поведение памяти на основе перспективного сегнетоэлектрика – оксида гафния-циркония. В результате им удалось найти идеальный баланс между её скоростью, надежностью и долговечностью.
Главное ограничение, с которым сталкиваются инженеры, когда пытаются создать сверхтонкие пленки памяти — токи утечки. Чем меньше ее толщина, тем больше ток начинает просачиваться через пленку. Это сводит на нет энергоэффективность устройства и вносит помехи в сигнал. Чтобы понять, как и почему это происходит, ученые детально изучили структуру и свойства пленок перспективного сегнетоэлектрика оксида гафния-циркония разной толщины – от 5 до 10 нанометров.
В МФТИ выяснили, что ток течет не через сами кристаллы, а по границам между ними. При уменьшении толщины пленки кристаллические зерна становятся мельче, а суммарная длина их границ растет. Эти границы работают как ловушки для электронов.
«Оказалось, что главные виновники роста токов утечки – это границы между кристаллическими зернами внутри пленки. С уменьшением толщины пленки эти зерна становятся меньше, а суммарная длина их границ увеличивается. Эти границы являются естественными дефектами и служат ловушками для электронов. Чем больше таких ловушек, тем выше ток утечки», — пояснил Илья Савичев, младший научный сотрудник лаборатории перспективных концепций хранения данных МФТИ.
Управлять этим эффектом можно, контролируя размер кристаллических зерен, оптимизируя режим отжига, подбирая подходящие материалы электродов и специальные затравочные слои. Чтобы продлить жизнь микрочипа, инженеры стремятся понизить рабочее напряжение памяти. Это уменьшает энергопотребление и нагрев, но тогда пленка переключается лишь частично, и она оказывается в так называемом «полидоменном» состоянии, где одни области уже переключились, а другие – еще нет. До сих пор было неясно, как долго данные могут сохраняться в таком режиме.
Ученые МФТИ изготовили миниатюрные конденсаторы, где пленка сегнетоэлектрика заключена между электродами из вольфрама и нитрида титана. С помощью серии импульсов напряжением от 0,95 до 3,5 Вольт имитировали запись, хранение, считывание данных и регистрировали токовый отклик в разные моменты времени. На основе этих данных физики построили математическую модель, предсказывающую поведение памяти на годы вперед.
Анализ показал: данные теряются из-за импринта – «впечатывания» записанной информации в структуру материала. Со временем на дефектах структуры и границах слоёв накапливается заряд. Он создает внутри пленки собственное электрическое поле, которое постепенно меняет свойства ячеек. В итоге напряжение, необходимое для считывания, становится выше рабочего — и устройство перестает «понимать», что записано.
«Мы обнаружили, что из-за импринта в пленках возникают два конкурирующих процесса, которые ведут к потере информации. Одни домены со временем становятся "недоступными" для считывания, а другие и вовсе переключаются обратно во время самого считывания. Наша модель позволяет учесть эти эффекты и найти идеальное напряжение, при котором память будет энергоэффективной и надежной», — рассказала Елизавета Калика, инженер-исследователь лаборатории перспективных концепций хранения данных МФТИ.
Новая модель поможет инженерам ещё на этапе проектирования подобрать оптимальные режимы работы чипа под конкретную задачу и точно знать, сколько лет прослужит устройство. Чтобы уместить больше информации на кристалле и снизить энергопотребление, инженеры пытаются сделать пленки как можно тоньше. Предыдущие данные показали, что уменьшение толщины неизбежно ведет к деградации сегнетоэлектрических свойств.
В новом исследовании ученые получили неожиданный результат, изучив зависимость между толщиной сегнетоэлектрической пленки, ресурсом циклов записи-перезаписи и сохранностью данных. Для эксперимента изготовили серию конденсаторов с толщиной рабочего слоя от 5 до 10 нанометров.
Самая тонкая пленка (5 нанометров) ожидаемо показала чуть худшую способность держать заряд, но вопреки всем прогнозам выдержала более 100 миллионов циклов перезаписи. Для сравнения, пленки толщиной 6 и 8 нанометров выходили из строя уже после 1–10 миллионов циклов. А самая толстая пленка (10 нанометров) продемонстрировала наилучшую способность удерживать данные долгое время, хотя ее ресурс перезаписи оказался невелик.
«Мы выявили четкое правило: чем "лучше" сегнетоэлектрик, тем быстрее он "стареет" под действием собственного поля. Пользуясь этим правилом, память на основе сегнетоэлектриков можно адаптировать под свои задачи. Например, для кардиостимуляторов важно надежное хранение данных долгое время, нужно выбрать пленки большей толщины. А вот для ускорителей ИИ и систем обработки видеопотоков, где память используется как рабочая, необходимы миллиарды циклов быстрой перезаписи. Здесь выигрывает ультратонкий слой», – объяснила Анастасия Чуприк.
Таким образом, ученые МФТИ создали дорожную карту для инженеров, проектирующих устройства памяти на основе сегнетоэлектриков. Они объяснили, как бороться с токами утечки, дали формулу для прогнозирования срока хранения данных и указали на фундаментальный и управляемый баланс между поляризацией и ресурсом.
Эта работа закладывает основу для создания элементов памяти нового поколения, которые найдут применение повсеместно: от сверхнадёжных имплантов до высокоскоростных и энергоэффективных чипов для систем искусственного интеллекта.
Результаты исследований опубликованы в журналах Journal of Alloys and Compounds, Physical Review Applied, Applied Physics Letters.
