Ferroelektriska binära oxider tunna filmer får uppmärksamhet för sin överlägsna kompatibilitet jämfört med traditionella perovskitbaserade ferroelektriska material. Dess kompatibilitet och skalbarhet inom CMOS-ramverket gör den till en idealisk kandidat för att integrera ferroelektriska enheter i vanliga halvledarkomponenter, inklusive nästa generations minnesenheter och olika logiska enheter som ferroelektrisk fälteffekttransistor och negativ kapacitansfälteffekttransistor.
Det har rapporterats att utmaningar kvarstår i den utbredda användningen av dessa material, såsom otillräcklig elektrostatisk kontroll, försämrad tillförlitlighet och allvarliga variationer för EOT-skalning när det gäller mycket storskalig integration.
Forskning publicerad i Materials Futures har belyst beteenden av ferroelektrisk typ i amorf dielektrisk film. Det är dock svårt att tydligt särskilja denna observerade hysteres och ferroelektricitet med klassiska ferroelektriska filmer med avgörande bidrag av specifika faser. Därför är det absolut nödvändigt att notera att klassificeringen av amorfa material som ferroelektriska är föremål för pågående vetenskaplig debatt.
Den fysiska mekanismen för ferroelektriciteten som diskuteras av författarna involverar den reversibla rörelsen av syrejoner under elektrisk pulsering. Denna rörelse av syrejoner anses vara en nyckelfaktor för det framväxande ferroelektriska beteendet som observeras i binära oxider. Författarna föreslår att denna reversibla syrejonrörelse spelar en avgörande roll för att inducera och kontrollera materialens ferroelektriska egenskaper.
Forskarna fann att framväxande ferroelektricitet finns i det ultratunna oxidsystemet på grund av mikroskopisk jonmigrering i växlingsprocessen. Dessa ferroelektriska binära oxidfilmer styrs av den gränssnittsbegränsade omkopplingsmekanismen. Icke-flyktiga minnesenheter med ultratunna amorfa dielektrika reducerade driftspänningen till ±1 V.
Även om en serie karakteriseringstester och simuleringsanalyser har utförts, är förståelsen av mekanismen bakom den framväxande ferroelektriciteten i amorft dielektrikum fortfarande begränsad. För att främja tillämpningen av detta nya ferroelektriska material måste ytterligare forskning om den teoretiska mekanismen utföras.
Prof. Yan Liu, seniorförfattaren till studien, sa:"Vårt arbete belyser inte bara mekanismen bakom uppkomsten av ferroelektricitet i binära oxider utan banar också väg för innovativa framsteg inom halvledarteknologin."
"Utvecklingen av innovativa beräkningsmetoder, såsom neuromorf beräkning, är nära knuten till utvecklingen av nya enheter och arkitekturer. Ett primärt tyngdpunktsområde är ferroelektriska material, som är väsentliga för integration med befintlig CMOS-teknik. Vi visar att ferroelektricitet kan vara konstruerad i konventionell amorf högk-dielektrik genom att helt enkelt justera syrenivån under lågtemperatur-ALD-avsättningen."
"Upptäckten av framväxande ferroelektricitet i amorfa binära oxider öppnar en ny väg för icke-flyktiga lagringsteknologilösningar, som kan undvika bristerna med tillförlitlighetsförsämring och grindläckageökning vid skalning av polykristallint dopad HfO2 -baserade filmer. Baserat på amorfa dielektrikum kan en icke-flyktig minnesenhet med lågtemperaturprocesskompatibilitet, låg läckström, utmärkt tillförlitlighet och låg driftspänning realiseras."
Det presenterade tillvägagångssättet utökar forskningsämnet konventionell ferroelektricitet till att konstruera ett antal mycket använda extremt tunna binära oxider för logik- eller minnestransistorer för framtida CMOS-teknik.
Mer information: Huan Liu et al, Bevis för reversibel syrejonrörelse under elektrisk pulsering:möjliggör för den framväxande ferroelektriciteten i binära oxider, Materials Futures (2024). DOI:10.1088/2752-5724/ad3bd5
Tillhandahålls av Songshan Lake Materials Laboratory
