Повышение интеграционной плотности микросхем памяти играет ключевую роль для обеспечения больших объёмов хранения и параллельных вычислений; это требует, чтобы селекторные компоненты в трёхмерных стекированных перекрёстно‑точечных архитектурах обладали крайне низким током утечки и подходящим пороговым напряжением. В настоящее время трёхмерная фазовая память в основном использует двунаправленные пороговые переключатели‑селекторы для управления включением и отключением ячеек памяти; их доступные характеристики напрямую влияют на площадную эффективность и стоимость чипа. Идеальный селектор должен обеспечивать утечку в подпороговом режиме на уровне пикоампер при половинном напряжении питания и демонстрировать чрезвычайно высокую нелинейность переключения; при этом его пороговое напряжение должно находиться в диапазоне 1,8–2,5 вольта, чтобы быть совместимым с низковольтными логическими устройствами передовых технологических узлов. Однако существующие материалы и конструктивные решения зачастую не способны одновременно удовлетворить эти строгие требования, что ограничивает развитие более масштабных массивов памяти.

Основная сложность заключается в том, что традиционные селекторы сталкиваются с проблемой конфликта физических свойств: повышение степени сшивки материала или введение буферного слоя из диэлектрика позволяет снизить ток утечки, однако нередко приводит к неизбежному значительному росту порогового напряжения. Несмотря на недавние попытки понизить рабочее напряжение за счёт снижения энергии активации проводимости, уровень тока утечки по‑прежнему остаётся преимущественно выше наноампер, а коэффициент переключения остаётся ограниченным. Кроме того, для выдерживания термического бюджета при последующей обработке задней части интегральной схемы аморфные материалы должны обладать крайне высокой термической стабильностью; однако это, как правило, увеличивает ширину запрещённой зоны и повышает пороговое напряжение включения. Ещё одной ключевой проблемой является длительный спор вокруг физического механизма нитевидной проводимости в селекторах, а также отсутствие прямых экспериментальных данных, полученных в реальном пространстве.

В ответ на указанные выше проблемы команда, в состав которой входят специалисты из Шэньчжэньского университета, Чжэцзянского университета и других учреждений, провела комплексное исследование с использованием системы in situ‑измерений TEM компании Zeyou Technology. Путём разработки аморфной наночастицы Ge₂Se₃ с исключительной термической стабильностью, собранной в нанослой, удалось благодаря её крайне малой площади контакта с электродами существенно подавить субпороговый ток утечки в селекторе и впервые в мировой практике с помощью метода in situ‑электронной голографии непосредственно продемонстрировать филаментарный механизм проводимости на наноуровне.

Заголовок: Ультранизкотоковые и филаментопроводящие аморфные наночастицы германиево‑селенидного соединения: овонические переключатели с пороговым эффектом
Журнал: Передовые материалы
Веб-сайт: https:// doi.org/10.1002/adma.202523102

Исследовательская группа разработала принципиально новую технологию термического инъекционного синтеза и успешно получила аморфные сферические наночастицы Ge₂Se₃, заполнив пробел в изучении морфологии наночастиц данного материального системы. В конструкции этого материала предусмотрено упрощение бинарного состава и отсутствие мышьяка, что эффективно снижает технологический порог для масштабного производства. Результаты экспериментов показали, что такие наночастицы даже при нагреве до 550 °C в среде аргона сохраняют аморфное состояние; их температура кристаллизации существенно выше, чем у большинства современных тонкоплёночных материалов‑пороговых переключателей. Эта выдающаяся термическая стабильность обеспечивает их идеальную совместимость с тепловым бюджетом задней части технологического процесса полупроводникового производства, закладывая прочную материальную основу для применения в высокопроизводительной встроенной памяти.

Путём вращательного нанесения таких аморфных наночастиц на подложку исследователи создали макроскопически плотный наносборочный слой и интегрировали его в устройство‑селектор T‑образной конфигурации. Благодаря крайне малой эффективной площади контакта между наночастицами и электродами это устройство, сохраняя пороговое напряжение в разумном диапазоне 2,2–2,6 В, достигло чрезвычайно низкого субпорогового тока утечки — порядка 1 пикоампера. Результатом стало достижение коэффициента переключения, превышающего 10⁸, что по ключевым характеристикам полностью превосходит существующие аналогичные селекторы на основе тонкоплёночных структур. Такой подход, основанный на инновациях в физической морфологии для разрешения противоречий в электрических характеристиках, открывает практический путь к дальнейшему масштабированию трёхмерных точечных архитектур.

Для глубокого изучения физических механизмов, лежащих в основе процесса переключения, исследовательская группа с помощью образцовой стойки для просвечивающей электронной микроскопии, предоставленной компанией Zeyou Technology, осуществила непрерывное наблюдение за структурными изменениями и изменением электрического поля в отдельных наночастицах под действием приложенного напряжения. Благодаря этой стойке учёные смогли одновременно подавать напряжение и получать высококачественные микроскопические изображения с коррекцией сферической аберрации. Применение такого прецизионного оборудования позволило точно контролировать величину тока, что дало возможность наблюдать за развитием проводимости внутри частиц, сохраняя их аморфное состояние. Эксперименты проводились в строгом соответствии с принципом низкой дозы электронного пучка, что минимизировало потенциальное повреждение образца вследствие воздействия пучка и обеспечило достоверность и высокую надёжность полученных результатов.

С помощью технологии ин‑ситу аффокусной электронной голографии исследовательская группа впервые в мире непосредственно наблюдала формирование внутри отдельных наночастиц нанометровых проводящих нитевидных путей. В состоянии включения устройства электронная голография чётко выявляет зоны с пониженным потенциалом, распространяющиеся от крошечных контактных точек; это резко контрастирует с равномерным распределением высокого потенциала во всём объёме при выключенном состоянии. Исследование показало, что по мере увеличения управляющего тока эти проводящие пути проходят процесс, начинаясь с зарождения у краёв и постепенно расширяясь внутрь, в конечном счёте образуя эффективные каналы, обеспечивающие высокий токовый транспорт. Данное открытие не только предоставило ключевую экспериментальную поддержку для давно дискутируемого физического механизма порогового переключения, но и послужило важной теоретической основой для разработки в будущем сверхмалых фазовых памятных ячеек.

Компания «ZEPTOOLS», являясь ведущим китайским производителем высокоточных приборов отечественного производства, является одним из ведущих поставщиков решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов и представила… ПикоФемто Серия решений для in situ‑характеризации с помощью трансмиссионной электронной микроскопии последовательно обеспечивала техническую поддержку важнейшим научным достижениям отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке представлено изделие компании Zeyou Technology — in situ‑образец‑стержень для ТЭМ, использовавшееся в данном исследовании: