С широким распространением технологий интернета вещей, искусственного интеллекта и аналитики больших данных современные информационные системы сталкиваются с экспоненциальным ростом спроса на ёмкость хранилищ данных и скорость их обработки. Для решения проблемы «стены памяти», обусловленной узким местом передачи данных между центральным процессором и энергозависимой оперативной памятью, отрасль предложила инновационные архитектуры — такие как вычисления вблизи памяти и вычисления в самой памяти, — которые предъявляют более жёсткие требования к высокой скорости и низкому энергопотреблению в технологиях энергонезависимой памяти. Вследствие значительного разрыва по задержкам между существующей энергозависимой оперативной памятью и традиционными энергонезависимыми носителями не только ограничивается скорость отклика системы, но и происходит существенная траты энергии. Поэтому разработка принципиально нового решения для памяти, обеспечивающего скорость чтения/записи на уровне наносекунд, обладающего высокой надёжностью и глубоко совместимого с технологиями комплементарных металлооксидных полупроводников, стала одним из ключевых направлений исследований в области полупроводниковых технологий.

Несмотря на то что различные перспективные технологии энергонезависимой памяти активно исследуются, они по‑прежнему сталкиваются с узкими местами в производительности и техническими трудностями, которые крайне сложно одновременно преодолеть в практических приложениях. Магниторезистивная оперативная память ограничена энергопотреблением и сложностями масштабирования, связанными с высокими токами записи. Ферроэлектрическая оперативная память страдает от разрушительного счёта при чтении и недостаточной стойкости к циклам переписывания. Память на основе фазового перехода требует чрезвычайно больших токов для расплавления материала при переключении состояний, тогда как редокс‑память обычно зависит от сложных процессов формирования и характеризуется низкой согласованностью чтения/записи из‑за случайности образования проводящих нитей. Ещё более серьёзной проблемой является то, что эти ведущие перспективные технологии памяти, как правило, испытывают значительное снижение производительности в экстремальных условиях, таких как высокие температуры, что существенно ограничивает их применение в строгих областях — например, в системах промышленного управления и в аэрокосмической отрасли.

Для решения указанных выше задач команда из Национального университета Сингапура, Чжэцзянского университета и других учреждений провела систематические исследования с использованием системы оперативных измерений в ТЭМ от компании ZEPTOOLS. Используя вызванный электрическим полем обратимый фазовый переход между структурами вюртцита и роксолита в тонких пленках нитрида алюминия‑скандия, им удалось успешно разработать новый тип энергонезависимой памяти с наносекундной скоростью переключения, сверхнизким рабочим напряжением и превосходной стабильностью при высоких температурах.

Название: Несостоятельная память на основе нитрида, функционирующая за счёт фазового перехода, индуцированного электрическим полем
Журнал: Природные материалы
URL: doi.org/10.1038/s41563-024

В данном исследовании была разработана память с фазовым переходом, индуцируемым электрическим полем, на основе нитрида алюминия‑скандия — EPTRAM, что открывает новый путь для преодоления ограничений по энергопотреблению и стойкости, характерных для традиционной энергонезависимой памяти. Авторы установили, что при точной настройке доли легирования скандием в сплавах нитрида алюминия‑скандия в наноразмерных тонких пленках можно добиться обратимого перехода из высокоомной вюртцитовой фазы в высокоэлектропроводную фазу роксолита. Этот принципиально новый механизм не опирается на случайные и нестабильные проводящие нити, присущие обычным резистивным ОЗУ, и не требует высокотокового джоулева нагрева, необходимого для памяти с фазовым переходом; таким образом, он в корне устраняет проблемы надежности, связанные со структурными флуктуациями, и закладывает прочную физическую основу для создания массивов памяти с высокой однородностью.

В оценке электрических характеристик данное устройство продемонстрировало выдающиеся комплексные показатели, достигнув особенно значительных прорывов в области работы при сверхнизком напряжении и экстремальной адаптивности к различным условиям окружающей среды. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что память способна переключаться между состояниями при сверхнизком напряжении ниже 0,3 В, при этом скорость записи составляет менее 3 наносекунд, а энергопотребление на один бит чрезвычайно низко — эти характеристики превосходят большинство ранее опубликованных аналогичных технологий. Ещё более новаторским является то, что устройство стабильно функционирует при высоких температурах до 583 К, а его стойкость к циклам записи превышает 100 миллионов циклов — показатель, который на два порядка выше, чем у современных ведущих перспективных энергонезависимых памятей. Это в полной мере подтверждает её огромный потенциал применения в жёстких условиях, таких как аэрокосмическая отрасль и промышленная электроника.

Для анализа этого физического процесса на атомном уровне исследовательская группа применила in‑situ сканирующую трансмиссионную электронную микроскопию, чтобы в реальном времени наблюдать за областью фазового перехода. В ходе этого эксперимента ключевую роль сыграл специально разработанный и изготовленный компанией ZEPTOOLS образцовый держатель in‑situ, который обеспечивал стабильное электрическое возбуждение наноразмерной тонкой пленки и одновременно синхронно регистрировал высокоточные данные о зависимости тока от напряжения внутри трансмиссионного электронного микроскопа. Благодаря точному управлению, обеспеченному этим устройством, учёные непосредственно наблюдали динамическое протекание фазового перехода из вюрцитовой в роксолитовую структуру под действием электрического поля, исключив доминирующее влияние джоулева нагрева и механических напряжений и подтвердив, что фазовый переход, обусловленный миграцией азотных ионов, является основным научным принципом, лежащим в основе работы энергонезависимой памяти. Это предоставляет новые доказательства для понимания физических свойств нитридов группы III.

Учитывая практические требования будущей крупномасштабной интеграции, в данном исследовании дополнительно изучен масштабный эффект устройства и его совместимость с основными полупроводниковыми технологиями. С помощью методов конечных элементов и экспериментальной проверки было продемонстрировано, что при уменьшении размера функциональных элементов устройства до нанометрового масштаба усиление локального электрического поля фактически повышает эффективность фазового перехода, что свидетельствует о высоком потенциале масштабирования. Кроме того, исследовательская группа успешно разработала совместимую с технологией CMOS архитектуру «один транзистор — один резистор» (1T1R), эффективно решив проблему побочных токов в массивах памяти и предложив практический технологический план по внедрению этой технологии фазового перехода, вызванного электрическим полем, в высокоэффективную и высокоплотную универсальную систему памяти.

Компания ZEPTOOLS, являясь китайским производителем высокоточных приборов премиум‑класса, является ведущим поставщиком решений для in‑situ‑характеризации с использованием электронной микроскопии. Серия решений PicoFemto для in‑situ‑характеризации на основе просвечивающей электронной микроскопии последовательно обеспечивала техническую поддержку ключевых научных достижений пользователей как в Китае, так и за рубежом. На рисунке ниже представлен продукт компании ZEPTOOLS — образцодержатель для in‑situ‑ЭМП, применённый в данном научном достижении: