Больше 1000 циклов перезаписи. Компьютерная память, хранение данных и сегнетоэлектрик прорыва

Спустя примерно 105-106 циклов перезаписи флешка и SSD начинают ломаться: давать сбои, терять информацию, а то и вовсе отказываются работать.

Ученые создали уникальные конденсаторы из оксида гафния,  что позволит создавать компьютерную память , которая способна выдержать до 10 млрд циклов перезаписи. Это в несколько тысяч раз больше, чем сейчас у памяти, используемой в промышленности.

До сих пор главная проблема такого рода разработок заключалась в непонимании принципа перезаписи информации. Благодаря многочисленным экспериментам на синхротроне российским ученым удалось найти решение этой проблемы.

Гафний.

 

Оксид гафния интересен тем, что он, в отличие от многих популярных сегодня у исследователей материалов вроде графена или углеродных нанотрубок, уже применяется в микроэлектронной промышленности, например, в процессорах Intel (С 2007 года диоксид гафния используется в 45-нм процессорах Intel Penryn). Свои сегнетооэлектрические свойства оксид гафния проявляет только в очень тонких (от 5 до 20 нанометров) пленках.

Оксид гафния относится к сегнетоэлектрикам - веществам, которые обладают и качествами диэлектриков, и в то же самое время спонтанной поляризацией: в материале на определенных участках часть электронов смещается в сторону, создавая заряженный участок. Как правило, они возникают при определенной температуре, и остаются заряженными даже при отсутствии внешнего электрического поля. Это свойство позволяет, например, создавать микроскопические ячейки для компьютерной памяти.

Этот диэлектрический материал стал известен после того, как его начали использовать в микроэлектронной промышленности: его применяют при изготовлении транзисторов в процессорах в качестве так называемого подзатворного диэлектрика. И вот около 10 лет назад группа немецких ученых обнаружила, что при определенных условиях (легировании, температурной обработке и др.) очень тонкий слой оксида гафния можно «переключить» в необычную для него кристаллическую структуру (фазу), которая вдобавок обладает сегнетоэлектрическими свойствами. Это значит, что под воздействием внешнего электрического поля в кристалле возникает остаточная поляризация, а значит, появляется возможность применять его для хранения двоичной информации.

Гафний - химический элемент 4-й группы длиннопериодной формы периодической системы Менделеева шестого периода,с атомным номером 72. Обозначается символом Hf (лат. Hafnium). Он был обнаружен в 1925 году в Копенгагене,что дало элементу название от латинского именования датской столицы. Это был последний элемент, добавленный к периодической таблице, со стабильными ядрами. Гафний- это тяжёлый тугоплавкий серебристо-белый металл.

Гафний - коррозионно-стойкий металл и превосходный поглотитель нейтронов, позволяющий использовать его на атомных подводных лодках, на стержнях управления ядерными реакторами. Используется гафний в катодах и конденсаторах, в аэрокосмических разработках, в ракето-космических двигателях. Металл не подвержен воздействию воды, воздуха и всех щелочей и кислот, за исключением фтористого водорода. Получают гафний путём переработки циркониевых руд.

Прорыв на пути к созданию новых типов энергонезависимых ячеек памяти совершила группа исследователей из лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ и их коллеги из Германии и США. Ученым удалось создать уникальную методику измерения распределения электрического потенциала внутри так называемого сегнетоэлектрического конденсатора -основы элементов памяти будущего, которые будут работать на порядок быстрее сегодняшних флешек или твердотельных дисков и выдерживать в миллион раз больше циклов перезаписи. Работа опубликована в журнале Nanoscale.

Устройства постоянной (энергонезависимой, то есть сохраняющей информацию при выключении компьютера) памяти -твердотельные диски (SSD) и всем известные флешки -совершенствуются уже около трех десятков лет. Их емкость постоянно растет, они уже фактически вытеснили из пользовательского обихода лазерные компакт-диски. Однако традиционные магнитные диски с механическим шпинделем сдаваться не собираются: пока нет и речи о возможности их замены на SSD в системах, требующих повышенной надежности, например, в серверном оборудовании. Дело в том, что современные флешки изготовлены на основе транзисторов, и это ограничивает их скорость и надежность. Спустя примерно 105-106 циклов перезаписи флешка и SSD начинают деградировать: давать сбои, терять информацию, а то и вовсе отказываются работать.

 

 «Идея использовать сегнетоэлектрики в качестве основы для энергонезависимой памяти не нова, -говорит Андрей Зенкевич, один из авторов работы, заведующий лабораторией функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ. -Однако все открытые ранее сегнетоэлектрики по разным причинам не могут быть использованы в современной наноэлектронике».

Открытие сегнетоэлектрических свойств HfO2 в определенной фазе заставило ученых вновь вернуться к идее постоянной памяти, основанной на диэлектриках этого типа: оксид гафния годится для современной электронной промышленности и, более того, давно освоен ей.

Элементарная ячейка памяти нового типа представляет собой тончайший -менее 10 нанометров -слой сегнетоэлектрического оксида гафния, к которому с двух сторон примыкают управляющие электроды. Конструкция похожа на обычный электрический конденсатор, но для того, чтобы сегнетоэлектрические конденсаторы можно было использовать в качестве ячеек памяти, необходимо добиться максимально возможной величины поляризации, а для этого -детально изучить физические свойства этого нанослоя. Одна из важнейших частей этого знания -представление о том, как распределяется электрический потенциал внутри слоя при подаче напряжения на электроды. За десять лет, прошедших с момента открытия сегнетоэлектрической фазы HfO2, никому из исследователей не удавалось изучить это распределение потенциала непосредственно: использовали только различные математические модели. А авторам опубликованной работы удалось.

Для этого они применили метод так называемой высокоэнергетической рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Специальная методика, разработанная сотрудниками МФТИ, требовала применения рентгеновского излучения, которое можно получить только на специальных ускорителях-синхротронах. В Гамбурге на синхротроне Deutsches Elektronen-Synchrotron были проведены измерения на прототипах будущих ячеек «новой памяти» -сегнетоэлектрических конденсаторах на основе оксида гафния, изготовленных в МФТИ.

Принципиальная схема проведенного эксперимента по измерению электрического потенциала в наноразмерных слоях сегнетоэлектрического HfO2: специально созданный прототип ячейки памяти был помещен в сверхвысоковакуумную камеру, где был подключен к аппаратуре, контролирующей ее электрическое состояние и позволяющей перезаписывать сохраненную в ней информацию прямо во время облучения. После этого на структуру был направлен сфокусированный пучок рентгеновского излучения под скользящим углом ~0,5°, что вызвало эффект так называемой «стоячей» волны рентгена в структуре. Возбужденные этой волной фотоэлектроны были зафиксированы с помощью специального анализатора, что и позволило узнать о величине электрического потенциала в слое оксида гафния. Источник: Nanoscale.

«В основе методики лежит явление фотоэффекта, -говорит Юрий Матвеев, один из авторов работы. -Измеряя энергию вылетающих из сегнетоэлектрика фотоэлектронов в сочетании с определенными схемами облучения структур, мы смогли получить картину локального электрического потенциала по всей толщине слоя с нанометровым разрешением».

По словам Андрея Зенкевича, созданные коллегами в МФТИ сегнетоэлектрические конденсаторы, если их применить для промышленного изготовления ячеек энергонезависимой памяти, способны обеспечить 1010 циклов перезаписи -в сто тысяч раз больше, чем допускают современные компьютерные флешки