Прорыв на пути к созданию новых типов энергонезависимых ячеек памяти совершила группа исследователей из лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ и коллеги, работающие в Германии и США. Ученым удалось создать уникальную методику измерения распределения электрического потенциала внутри так называемого сегнетоэлектрического конденсатора — основы элементов памяти будущего, которые будут работать на порядок быстрее сегодняшних флешек или твердотельных дисков и выдерживать в миллион раз больше циклов перезаписи. Работа опубликована в Nanoscale, одном из авторитетных научных журналов в области физики твердого тела, наноструктур и материаловедения.

Устройства постоянной (энергонезависимой, то есть сохраняющей информацию при выключении компьютера) памяти — твердотельные диски (SSD) и всем известные флешки — совершенствуются уже около трех десятков лет. Их емкость постоянно растет, они уже фактически вытеснили из пользовательского обихода лазерные компакт-диски. Однако традиционные магнитные диски с механическим шпинделем сдаваться не собираются: пока нет и речи о возможности их замены на SSD в системах, требующих повышенной надежности, — например, в серверном оборудовании. Дело в том, что современные флешки изготовлены на основе транзисторов, и это ограничивает их скорость и надежность. Спустя примерно 10^3–10^5 циклов перезаписи флешка и SSD начинают деградировать: давать сбои, терять информацию, а то и вовсе отказываются работать.

Поэтому во всем мире огромное сообщество ученых и инженеров участвует в большой гонке за «новой флешкой» — энергонезависимой памятью, основанной на новых принципах и обеспечивающей кратное превосходство в скорости доступа, энергопотреблении и количестве возможных циклов перезаписи. Одним из наиболее перспективных материалов для «новой флешки» считается оксид гафния (HfO2). Этот диэлектрический материал стал известен после того, как его начали использовать в микроэлектронной промышленности: его применяют при изготовлении транзисторов в процессорах в качестве так называемого подзатворного диэлектрика. И вот, около 10 лет назад группа немецких ученых обнаружила, что при определенных условиях (легировании, температурной обработке и др.) очень тонкий слой оксида гафния можно «переключить» в необычную для него кристаллическую структуру (фазу), которая вдобавок обладает сегнетоэлектрическими свойствами. Это значит, что под воздействием внешнего электрического поля в кристалле возникает остаточная поляризация, а значит, появляется возможность применять его для хранения двоичной информации.

«Идея использовать сегнетоэлектрики в качестве основы для энергонезависимой памяти не нова, — говорит Андрей Зенкевич, один из авторов работы, заведующий лабораторией функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ. — Однако все открытые ранее сегнетоэлектрики по разным причинам не могут быть использованы в современной наноэлектронике».

Открытие сегнетоэлектрических свойств HfO2 в определенной фазе заставило ученых вновь вернуться к идее постоянной памяти, основанной на диэлектриках этого типа: оксид гафния годится для современной электронной промышленности и, более того, давно освоен ею.

Элементарная ячейка памяти нового типа представляет собой тончайший — менее 10 нанометров — слой сегнетоэлектрического оксида гафния, к которому с двух сторон примыкают управляющие электроды. Конструкция похожа на обычный электрический конденсатор, но для того, чтобы сегнетоэлектрические конденсаторы можно было использовать в качестве ячеек памяти, необходимо добиться максимально возможной величины поляризации, а для этого — детально изучить физические свойства этого нанослоя. Одна из важнейших частей этого знания — представление о том, как распределяется электрический потенциал внутри слоя при подаче напряжения на электроды. За десять лет, прошедших с момента открытия сегнетоэлектрической фазы HfO2, никому из исследователей не удавалось изучить это распределение потенциала непосредственно: использовали только различные математические модели. А авторам опубликованной работы — удалось.

Для этого они применили метод так называемой высокоэнергетической рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Специальная методика, разработанная сотрудниками МФТИ, требовала применения рентгеновского излучения, которое можно получить только на специальных ускорителях-синхротронах. Такой находится в Гамбурге (ФРГ). Там и были проведены измерения на прототипах будущих ячеек «новой памяти» — сегнетоэлектрических конденсаторах на основе оксида гафния, изготовленных в МФТИ.

«В основе методики лежит явление фотоэффекта — говорит Юрий Матвеев, один из авторов, научный сотрудник гамбургского синхротрона Deutsches Elektronen-Synchrotron. — Измеряя энергию вылетающих из сегнетоэлектрика фотоэлектронов в сочетании с определенными схемами облучения структур, нам удалось получить картину локального электрического потенциала по всей толщине слоя с нанометровым разрешением».

По словам Андрея Зенкевича, созданные коллегами в МФТИ сегнетоэлектрические конденсаторы, если их применить для промышленного изготовления ячеек энергонезависимой памяти, способны обеспечить 10^10 циклов перезаписи — в сто тысяч раз больше, чем допускают современные компьютерные флешки.

Работа была поддержана Российским научным фондом.