Tutkimus avaa ferrosähköisen muistin alumiininitridissä

Kansallisen Oak Ridgen laboratorion tutkijat ovat ensimmäistä kertaa osoittaneet, että ferrosähköisyyttä voidaan kirjoittaa suoraan alumiininitridille käyttämällä tarkasti fokusoitua heliumionisädettä.

Advanced Materials -lehdessä julkaistu tutkimus edustaa uutta prosessointimenetelmää wurtsiitti III-V -nitrideille, jotka ovat jo laajalti mikroelektroniikassa käytettyjä puolijohdemateriaaleja, joiden ferroelektrinen potentiaali on tunnistettu vasta vuonna 2019.

”Sekä materiaalia että prosessointimenetelmää käytetään jo nykyään sirujen valmistuksessa: alumiininitridiä käytetään laajalti monissa 5G- ja Wi-Fi-laitteissa ja heliumionisuihkut ovat yleisiä työkaluja pienten muutosten tekemiseen piireihin”, sanoo post doc -tutkija Bogdan Dryzhakov. ”Uutta on niiden yhdistäminen ferrosähköisten alueiden 'kirjoittamiseksi' haluamiimme paikkoihin. Tämä tarkoittaa, että sirujen valmistajien ei tarvitse ottaa käyttöön uutta materiaalia tai uutta valmistusvaihetta – käytämme jo olemassa olevaa materiaalia uudella tavalla.”

Perinteisessä ferrosähköisessä tutkimuksessa ja teoriassa käytetään materiaalin kiderakenteen "pehmenemistä" kytkentään tarvittavan energian vähentämiseksi. Näissä ferrosähköisissä materiaaleissa viat ovat atomien häiriöitä kidehilassa. Vikoja pidetään ei-toivottuina, koska ne nostavat kytkentäenergian kustannuksia ja lisäävät sähkövuotoa.

Mutta alumiininitridi kuuluu uuteen ferrosähköisten materiaalien perheeseen, jota kutsutaan wurtsiittinitrideiksi, ja se käyttäytyy eri tavalla kuin perinteiset ferrosähköiset kiteet. ”Suuri osa ferrosähköisestä teoriasta on rakennettu pehmeän moodin materiaalien ympärille, joissa koko kidehila osallistuu kytkentäprosessiin”, Dryzhakov sanoi. ”Alumiininitridissä ja muissa wurtsiitti III -nitrideissä viat mahdollistavat yksiulotteisten kanavien kytkeytymisen toisistaan riippumatta. Se on erilainen tapa ajatella, miten ferrosähköinen kytkentä tapahtuu materiaaleissa.”

Testatakseen tätä ideaa tutkijat käyttivät noin nanometrin levyistä heliumionisädettä, joka on riittävän pieni kohdistamaan piirteisiin lähes atomaarisella tarkkuudella. Säde luo huolellisesti sijoitetut viat rikkomatta koko kidettä.

Tiimi havaitsi, että käsitelty alumiininitridi tarvitsi noin 40 prosenttia vähemmän energiaa polarisaation vaihtamiseen. He havaitsivat alumiininitridissä myös vahvan pietsovasteen.

Koska polarisaation vaihtaminen on ferroelektrisen muistin perusta, sen mahdollistaminen saavutettavissa olevilla jännitteillä alumiininitridissä käyttämällä nykyisen valtavirran piisirujen valmistuksen kanssa yhteensopivaa valmistusta voisi auttaa skaalaamaan vankempaa muistia vaativiin sovelluksiin.

Aiheesta aiemmin:

Erittäin ohuita ferrosähköisiä muistipiirirakenteita

Wurtsiitin räätälöinti seuraavan sukupolven elektroniikalle