По мере широкого распространения технологий интернета вещей, искусственного интеллекта и анализа больших данных потребности современных информационных систем в объёме хранимых данных и скорости их обработки демонстрируют экспоненциальный рост. Чтобы решить проблему «стены памяти», возникающую из‑за узкого места передачи данных между центральным процессором и энергозависимой оперативной памятью, отрасль предложила такие инновационные архитектуры, как вычисления в близкой к памяти среде и вычисления в самой памяти; это, в свою очередь, ставит перед технологиями энергонезависимой памяти ещё более жёсткие требования по повышению скорости работы и снижению энергопотребления. Поскольку между существующими энергозависимыми ОЗУ и традиционными энергонезависимыми носителями наблюдается значительный разрыв задержек, это не только ограничивает скорость отклика системы, но и приводит к заметным потерям энергии; поэтому разработка нового типа памяти, способного обеспечивать чтение и запись на уровне наносекунд, обладающего исключительной надёжностью и глубоко совместимого с технологией КМОП‑процессов, стала ключевым направлением исследований в современной полупроводниковой отрасли.

Несмотря на то что в настоящее время уже разрабатываются различные перспективные технологии энергонезависимой памяти, на практике они по‑прежнему сталкиваются с трудноразрешимыми узкими местами производительности и техническими вызовами. Магнитная оперативная память ограничена высоким энергопотреблением при записи и проблемами масштабирования, а ферроэлектрическая оперативная память страдает от недеструктивного чтения и недостаточной долговечности. Фазовая память требует чрезвычайно высоких токов для плавления материала при переключении состояний, тогда как оксидно‑восстановительная мемристорная память обычно зависит от сложных предварительных технологических процессов и из‑за случайной формации проводящих нитей демонстрирует низкую согласованность чтения и записи. Что ещё более осложняет ситуацию, эти ведущие перспективные технологии памяти в экстремальных условиях, таких как высокая температура, как правило, испытывают резкое ухудшение характеристик, что серьёзно ограничивает их применение в строгих областях — например, в системах промышленного управления и в авиакосмической отрасли.

В ответ на указанные выше проблемы команда, в состав которой входят сотрудники Национального университета Сингапура, Чжэцзянского университета и других учреждений, провела комплексное исследование с использованием системы in situ‑измерений ПЭМ компании Zeyou Technology. Благодаря использованию электрического поля для индуцирования обратимого фазового превращения между структурами вюртита и каменной соли в алюминиево‑скандиево‑азотных тонких пленках удалось разработать новый тип энергонезависимой памяти, обладающий наносекундной скоростью переключения, сверхнизким управляющим напряжением и выдающейся стабильностью при высоких температурах.

Заголовок: Несостоятельная память на основе нитрида, функционирующая за счёт фазового перехода, индуцированного электрическим полем
Журнал: Природные материалы
Веб-сайт: https:// doi.org/10.1038/s41563-026-02565-y

В данном исследовании разработан электрическим полем индуцируемый фазовый переключатель на основе нитрида алюминия‑скандия — EPTRAM, который открывает новый путь для преодоления ограничений по энергопотреблению и долговечности традиционных энергонезависимых запоминающих устройств. Учёные установили, что при точной регулировке доли скандия в алюминий‑скандий‑нитридном сплаве можно добиться обратимого перехода в наноплёнках от высокосопротивительной цинковой‑пирохлорной фазы к высокоэлектропроводной каменносоляной фазе. Этот новый механизм не опирается на случайные и нестабильные проводящие нити, характерные для традиционных мемристоров, и не требует мощного джоулева нагрева, необходимого для фазовых памяти; таким образом, он принципиально устраняет проблемы надёжности, связанные со структурными флуктуациями, и закладывает прочную физическую основу для создания высокооднородных массивов памяти.

В ходе оценки электрических характеристик данный прибор продемонстрировал выдающиеся совокупные показатели, особенно заметно преодолев барьеры в области работы при крайне низком напряжении и устойчивости к экстремальным условиям. Экспериментальные данные свидетельствуют, что эта память способна осуществлять переключение состояний при сверхнизком напряжении — ниже 0,3 вольта; скорость записи достигает менее 3 наносекунд, а энергопотребление на один бит при операциях чрезвычайно низко, превосходя большинство ранее опубликованных аналогичных технологий. Что ещё более прорывно, устройство сохраняет стабильную работу даже в условиях высокой температуры — 583 кельвина; срок службы в циклах записи превышает 100 миллионов, что на два порядка выше показателей современных ведущих перспективных технологий неэнергозависимой памяти, что в полной мере подтверждает её огромный потенциал применения в суровых эксплуатационных условиях, таких как авиакосмическая отрасль и промышленная электроника.

Для анализа этого физического процесса на атомном уровне исследовательская группа применила методику in situ‑сканирующей просвечивающей электронной микроскопии, позволившую осуществлять его непрерывное наблюдение в зоне фазового превращения. В ходе эксперимента ключевую роль сыграл разработанный и произведённый компанией «ZEPTOOLS» специализированный образцовый стержень, обеспечивающий стабильное электрическое поле для наноразмерных плёнок и одновременно позволяющий в режиме реального времени регистрировать высокоточные данные о токе и напряжении внутри просвечивающего электронного микроскопа. Благодаря точному управлению этим устройством учёные смогли непосредственно наблюдать динамическое развитие структур цинковой и каменной соли под воздействием электрического поля, исключив доминирующее влияние эффекта Джоуля и механических напряжений, и подтвердили, что фазовое превращение, индуцированное миграцией азотных ионов, является ключевым научным механизмом реализации энергонезависимой памяти, тем самым предоставив новые доказательства для понимания физических свойств нитридов третьей группы.

С учётом реальных потребностей будущего масштабного интегрирования данное исследование дополнительно изучило эффекты уменьшения размеров устройств и их совместимость с ведущими полупроводниковыми технологиями. Проведённые методом конечных элементов моделирования и экспериментальные проверки показали, что при снижении характерных размеров устройств до наноразмеров усиление локального электрического поля, напротив, способствует повышению эффективности фазового перехода, что свидетельствует о его выдающемся потенциале масштабирования. Кроме того, исследовательская группа успешно разработала однотранзисторную, однорезисторную архитектуру, совместимую с технологией комплементарных металл‑оксид‑полупроводников, что позволило эффективно решить проблему перекрёстных токов в массивах памяти и предоставило практически реализуемую техническую дорожную карту для трансформации этой технологии фазового перехода, индуцируемого электрическим полем, в высокопроизводительные, высокоплотные универсальные системы хранения данных.

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 постепенно обеспечивала техническую поддержку важнейших научных достижений отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем изображении — продукт компании Zeyou Technology — образцовая стойка для in situ‑ТЭМ, использовавшаяся в данном исследовании: