В недавнем исследовании сообщается о тонких пленках (Al,Ga,Sc)N с рекордно высоким уровнем скандия, обладающих захватывающим потенциалом для устройств памяти со сверхнизким энергопотреблением
Используя реактивное магнетронное распыление, они точно настроили состав тройных сплавов для преодоления предыдущих пределов стабильности.
Помимо обеспечения эффективного хранения данных, эти пленки также являются перспективными в качестве шумовых фильтров для связи 6G и оптических вычислений благодаря привлекательным пьезоэлектрическим и оптоэлектрическим свойствам.
Электронные устройства становятся все меньше, но мощнее, чем когда-либо, что создает спрос на технологии памяти, которые могут хранить больше данных при меньшем потреблении энергии. Энергонезависимые сегнетоэлектрические запоминающие устройства стали многообещающим решением этой проблемы. Поддерживая собственную электрическую поляризацию, эти устройства могут сохранять сохраненную информацию, не требуя постоянного электричества, тем самым продлевая срок службы батареи и обеспечивая более сложные мобильные вычисления.
Нитрид галлия (GaN) и нитрид алюминия (AlN), материалы, уже используемые в светодиодах, обладают уникальными кристаллическими структурами, в которых центры положительного и отрицательного заряда естественным образом смещены. Это смещение создает переключаемую поляризацию, которую можно контролировать с помощью приложенного внешнего напряжения, формируя основу для функций энергонезависимой памяти.
Ученые знают, что включение скандия (Sc) в эти кристаллические структуры может значительно снизить рабочее напряжение и обеспечить работу со сверхнизким энергопотреблением. Тем не менее, увеличение концентрации Sc оказалось чрезвычайно сложной задачей из-за фундаментальных ограничений стабильности как для GaN, так и для AlN.
На этом фоне исследовательская группа под руководством профессора Хироши Фунакубо из Института науки Токио (Science Tokyo), Япония, добилась значительного прорыва, успешно синтезировав тонкие пленки (Al,Ga,Sc)N с беспрецедентно высокими концентрациями Sc. Их работа, опубликованная в Интернете в APL Materials, демонстрирует, что легирование AlN GaN в правильной пропорции может значительно увеличить количество Sc, которое может быть включено в конечную кристаллическую структуру.
Во-первых, исследователи использовали реактивное магнетронное распыление, метод физического осаждения из газовой фазы, чтобы нанести тонкие пленки (Al,Ga,Sc)N с тщательно контролируемыми композициями на кремниевые подложки с платиновым и титановым покрытием. Благодаря тщательной настройке параметров распыления и целевой мощности они синтезировали разнообразный спектр тройных сплавов с различными пропорциями каждого элемента.
Затем эти пленки были тщательно охарактеризованы с использованием передовых методов, таких как рентгеновская дифракция для определения их кристаллической структуры, электронная микроскопия для изучения их микроструктуры и электрические измерения для оценки их сегнетоэлектрических и диэлектрических свойств. Их систематический подход позволил им составить так называемую «фазовую диаграмму» системы AlN-GaN-ScN, выявив новую область для сегнетоэлектрически активной кристаллической структуры вюрцита при более высоких концентрациях Sc при присутствии небольшой фракции галлия.
Важным результатом этих исследований явилось значительное уменьшение коэрцитивного поля материала (Ec) — электрическое поле, необходимое для переключения поляризации, которое происходило с увеличением содержания Sc в тройных сплавах. Команда наблюдала заметное снижение Ec с 5,8 МВ/см до 1,8 МВ/см по мере увеличения коэффициента Sc.
"Это Еc значительно ниже, чем большинство заявленных значений в предыдущих работах для различных легирующих примесей пленок вюрцитов на основе AlN и GaN, что является очень перспективным для разработки устройств памяти», — отмечает Фунакубо. Дальнейший анализ результатов показал, что за этот эффект может быть ответственен эффект энтропии.
Примечательно, что достигнутое снижение напряжения может напрямую привести к снижению энергопотребления в устройствах памяти, решая одну из самых насущных проблем современной электроники. Помимо приложений с памятью, эти новые сегнетоэлектрические пленки также продемонстрировали превосходные пьезоэлектрические и оптоэлектрические свойства.
«Эти свойства открывают потенциальные возможности для применения в высокочастотных фильтрах шумов и оптических вычислительных системах со сверхнизким энергопотреблением, которые необходимы для смартфонов следующего поколения 6G и в оптических вычислительных устройствах, работающих со сверхнизким энергопотреблением», — говорит Фунакубо.
В целом, сочетание пониженных рабочих напряжений, улучшенных функциональных свойств и совместимости с существующими методами обработки полупроводников делает пленки (Al,Ga,Sc)N перспективными материалами для электроники следующего поколения.