Bevis for reversibel oxygenionbevægelse under elektrisk pulsering:Fremkommende ferroelektricitet i binære oxider

Ferroelektriske binære oxider tynde film tiltrækker opmærksomhed for deres overlegne kompatibilitet i forhold til traditionelle perovskit-baserede ferroelektriske materialer. Dens kompatibilitet og skalerbarhed inden for CMOS-rammerne gør den til en ideel kandidat til at integrere ferroelektriske enheder i almindelige halvlederkomponenter, herunder næste generations hukommelsesenheder og forskellige logiske enheder såsom Ferroelektrisk felteffekttransistor og negativ kapacitansfelteffekttransistor.

Det er blevet rapporteret, at der fortsat er udfordringer i den udbredte anvendelse af disse materialer, såsom utilstrækkelig elektrostatisk kontrol, kompromitteret pålidelighed og alvorlig variation for EOT-skalering i form af integration i meget stor skala.

Forskning offentliggjort i Materials Futures har belyst opførsel af ferroelektrisk type i amorf dielektrisk film. Det er imidlertid svært tydeligt at skelne denne observerede hysterese og ferroelektricitet med klassiske ferroelektriske film med afgørende bidrag fra specifikke faser. Derfor er det bydende nødvendigt at bemærke, at klassificeringen af ​​amorfe materialer som ferroelektriske er genstand for løbende videnskabelig debat.

Den fysiske mekanisme for ferroelektriciteten diskuteret af forfatterne involverer den reversible bevægelse af oxygenioner under elektrisk pulsering. Denne bevægelse af oxygenioner anses for at være en nøglemuligator for den nye ferroelektriske adfærd observeret i binære oxider. Forfatterne foreslår, at denne reversible oxygenionbevægelse spiller en afgørende rolle i at inducere og kontrollere materialernes ferroelektriske egenskaber.

Forskerne fandt ud af, at der opstår ferroelektricitet i det ultratynde oxidsystem på grund af mikroskopisk ionmigrering i omskiftningsprocessen. Disse ferroelektriske binære oxidfilm er styret af den grænsefladebegrænsede omskiftermekanisme. Ikke-flygtige hukommelsesenheder med ultratynde amorfe dielektrika reducerede driftsspændingen til ±1 V.

Selvom en række karakteriseringstests og simuleringsanalyser er blevet udført, er forståelsen af ​​mekanismen bag den nye ferroelektricitet i amorft dielektrikum fortsat begrænset. For at fremme anvendelsen af ​​dette nye ferroelektriske materiale skal der udføres yderligere forskning i den teoretiske mekanisme.

Prof. Yan Liu, seniorforfatter af undersøgelsen, sagde:"Vores arbejde belyser ikke kun mekanismen bag fremkomsten af ​​ferroelektricitet i binære oxider, men baner også vejen for innovative fremskridt inden for halvlederteknologien."

"Udviklingen af ​​innovative computermetoder, såsom neuromorfisk databehandling, er tæt knyttet til udviklingen af ​​nye enheder og arkitekturer. Et primært fokusområde er ferroelektriske materialer, som er afgørende for integration med eksisterende CMOS-teknologi. Vi demonstrerer, at ferroelektricitet kan være konstrueret i konventionel amorf høj-κ dielektrikum ved blot at justere iltniveauet under lavtemperatur-ALD-aflejringen."

"Opdagelsen af ​​nye ferroelektricitet i amorfe binære oxider åbner en ny vej for ikke-flygtige lagringsteknologiløsninger, som kan undgå manglerne ved pålidelighedsforringelse og gatelækagestigning i skalering af polykrystallinsk doteret HfO₂ -baserede film. Baseret på de amorfe dielektrika kan en ikke-flygtig hukommelsesenhed med lavtemperaturproceskompatibilitet, lav lækstrøm, fremragende pålidelighed og lav driftsspænding realiseres."

Den præsenterede tilgang udvider forskningsemnet konventionel ferroelektricitet til at udvikle en række meget udbredte ekstremt tynde binære oxider til logik eller hukommelsestransistorer til fremtidig CMOS-teknologi.

Flere oplysninger: Huan Liu et al., Evidens for reversibel oxygenionbevægelse under elektrisk pulsering:muliggør den nye ferroelektricitet i binære oxider, Materials Futures (2024). DOI:10.1088/2752-5724/ad3bd5

Leveret af Songshan Lake Materials Laboratory