В недавней статье, только что опубликованной в журнале Advanced Functional Materials, исследователи исследовали, почему устройства на основе оксида гафния так многообещающи для приложений памяти и как можно настроить материал для работы на желаемом уровне. Эти знания могут стать основой для будущего массового применения во всех видах электронных устройств.Этот новый вид энергонезависимой памяти сохраняет информацию, изменяя электрическое сопротивление структуры металл-изолятор-металл.
Состояния высокого и низкого сопротивления представляют собой ноль и единицу и не исчезают, даже когда компьютер выключен. Основной принцип этой резистивной оперативной памяти (RRAM) известен уже несколько лет, но исследователи и разработчики все еще борются за то, чтобы внедрить его в реальные живые приложения.
Память на основе оксида гафния особенно интересна благодаря своим превосходным свойствам. Однако устройства по-прежнему не могут быть изготовлены с низкой изменчивостью и низким разбросом электронных свойств, как это требуется для крупномасштабного производства. Кроме того, поведение переключения является сложным и до сих пор полностью не изучено.
Кислородные вакансииИсследователи из Технического университета Дармштадта следуют рецепту, который оказался чрезвычайно успешным в технологии полупроводниковых устройств: они сосредотачиваются на дефектах материала. «До сих пор было не совсем ясно, какие физические и химические свойства материала определяют процесс резистивной коммутации», — говорит профессор д-р Ламберт Альф, руководитель группы передовых технологий тонких пленок в отделении материаловедения Технического университета Дармштадта. Его команда сосредоточила свои исследования на роли кислородных дефектов в функциональном материале.Используя молекулярно-лучевую эпитаксию, хорошо известную технику из полупроводниковой технологии, группа смогла создать структуры RRAM, в которых изменялась только концентрация кислорода, в то время как все остальное устройство было идентичным. «Изменяя концентрацию кислородных дефектов в оксиде гафния, мы можем однозначно соотнести состояние материала с реактивным переключением запоминающего устройства», — объясняет Санкарамангалам Улхас Шарат, аспирант группы и первый автор публикации.
На основе этих результатов исследователи разработали единую модель, связывающую все до сих пор описанные состояния переключения с поведением кислородных вакансий. Еще одно захватывающее последствие их работы — открытие того, что квантованные состояния проводимости могут быть стабилизированы при комнатной температуре при контроле кислородных вакансий, что открывает путь для новой квантовой технологии.Будет ли RRAM заменой флэш-памяти?
Лучшее понимание роли кислородных вакансий может быть ключом к созданию клеток RRAM с воспроизводимыми свойствами в более крупном масштабе. Ожидается, что в связи с присущими ей физическими ограничениями в течение следующих нескольких лет преобладающая в настоящее время технология флэш-памяти будет заменена другой технологией энергонезависимой памяти. Это может быть RRAM, которая удовлетворит постоянно растущую потребность в более энергоэффективной и повсеместной памяти в автомобилях, мобильных телефонах, холодильниках и т. Д. Она даже может быть особенно подходящей для нейроморфных цепей, имитирующих функциональность человеческого мозга — фантастическая концепция.Исследования в Техническом университете Дармштадта являются частью европейского проекта PANACHE, который занимается разработкой энергонезависимой памяти.
20 партнеров из промышленности, исследовательских институтов и университетов работают вместе, финансируемые ЕС и национальными агентствами, такими как Министерство образования и исследований Германии (BMBF) на сумму 225 миллионов евро. Группа Альфа получила дополнительное финансирование от Немецкого исследовательского общества (DFG).