Доказательства возникновения сегнетоэлектричества в бинарных оксидах.
Фото: профессор Ян Лю / Университет Сидиан.

Тонкие пленки сегнетоэлектрических бинарных оксидов привлекают внимание своей превосходной совместимостью по сравнению с традиционными сегнетоэлектриками на основе перовскита. Его совместимость и масштабируемость в рамках КМОП-структуры делают его идеальным кандидатом для интеграции сегнетоэлектрических устройств в основные полупроводниковые компоненты, включая устройства памяти следующего поколения и различные логические устройства, такие как сегнетоэлектрические полевые транзисторы и полевые транзисторы с отрицательной емкостью.

Сообщалось, что остаются проблемы с широким распространением этих материалов, такие как недостаточный электростатический контроль, низкая надежность и серьезные различия в масштабировании EOT с точки зрения очень крупномасштабной интеграции.

Исследования , опубликованные в журнале Materials Futures, объяснили поведение сегнетоэлектрического типа в аморфной диэлектрической пленке. Однако трудно четко различить наблюдаемый гистерезис и сегнетоэлектричество в классических сегнетоэлектрических пленках с убедительным вкладом конкретных фаз. Поэтому необходимо отметить, что отнесение аморфных материалов к сегнетоэлектрикам является предметом постоянных научных дискуссий.

Физический механизм сегнетоэлектричества, обсуждаемый авторами, заключается в обратимом движении ионов кислорода во время электрических импульсов. Это движение ионов кислорода считается ключевым фактором возникновения сегнетоэлектрического поведения, наблюдаемого в бинарных оксидах. Авторы предполагают, что это обратимое движение ионов кислорода играет решающую роль в создании и контроле сегнетоэлектрических свойств материалов.

Исследователи обнаружили, что возникающее сегнетоэлектричество существует в ультратонкой оксидной системе из-за микроскопической миграции ионов в процессе переключения. Эти сегнетоэлектрические бинарные оксидные пленки управляются механизмом переключения, ограниченным границей раздела. Устройства энергонезависимой памяти с ультратонкими аморфными диэлектриками снижали рабочее напряжение до ±1 В.

Хотя была проведена серия характеристических испытаний и моделирования, понимание механизма возникновения сегнетоэлектричества в аморфном диэлектрике остается ограниченным. Чтобы продвинуть применение этого нового сегнетоэлектрического материала, необходимо провести дальнейшие исследования теоретического механизма.

Профессор Ян Лю, старший автор исследования, сказал: «Наша работа не только проясняет механизм возникновения сегнетоэлектричества в бинарных оксидах, но и прокладывает путь к инновационным достижениям в полупроводниковой технологии».

«Развитие инновационных вычислительных методов, таких как нейроморфные вычисления, тесно связано с разработкой новых устройств и архитектур. Основное внимание уделяется сегнетоэлектрическим материалам, которые необходимы для интеграции с существующей технологией КМОП. Мы демонстрируем, что сегнетоэлектричество может быть создан из обычных аморфных диэлектриков с высоким κ путем простого регулирования уровня кислорода во время низкотемпературного осаждения ALD».

«Открытие нового сегнетоэлектричества в аморфных бинарных оксидах открывает новый путь для решений в области технологий энергонезависимого хранения, которые могут избежать недостатков снижения надежности и увеличения утечки затвора при масштабировании поликристаллических легированных пленок на основе HfO 2 . На основе аморфных диэлектриков, может быть реализовано энергонезависимое запоминающее устройство с совместимостью с низкотемпературными процессами, низким током утечки, превосходной надежностью и низким рабочим напряжением».

Представленный подход расширяет предмет исследования обычного сегнетоэлектричества для разработки ряда широко используемых чрезвычайно тонких бинарных оксидов для логических транзисторов или транзисторов памяти для будущей КМОП-технологии.