Крошечная ячейка памяти выдерживает экстремальные температуры

Микроскоп показывает, что происходит, когда переключается нитрид алюминиевого скандала, а полярная ориентация в материале меняет.Первоначально атом азота находится над атомом алюминия (н-полярное, слева).Когда наносится напряжение, структура вращается на 180 градусов, а атом азота теперь ниже атома алюминия (M-полярная, справа).Изменение происходит не повсюду в материале одновременно, но заканчивается пунктирной линией.Кредит: Advanced Science (2023).Doi: 10.1002/Advs.202302296

Они показали, что нитрид сегнетоэлектрического скандала алюминия может быть увеличен до нескольких нанометров и может хранить разные состояния, что делает его подходящим в качестве наносключателя.Кроме того, они доказали, что нитрид алюминиевого скандея является особенно стабильным и мощным полупроводниковым материалом для современных технологий, основанных на кремниевых, кремниевых карбидах и нитриде галлия.В отличие от сегодняшней микроэлектроники, материал может выдерживать экстремальные температуры до 1000 ° C.

Это открывает такие приложения, как хранение информации или датчики для процессов сжигания в двигателях или турбинах как в химической промышленности, так и в сталелитейной промышленности.Результаты были опубликованы в журнале Advanced Science.Исследование было частью исследовательского проекта, который объединяет базовые исследования в области разработки материалов и применения в микроэлектронике.

Сегодня высокопроизводительные чипы и микроэлектронные компоненты можно найти на каждом компьютере, автомобильном и промышленном заводе.Стабильная и энергоэффективная микроэлектроника является технической основой для цифровизации промышленности и общества, устойчивого энергоснабжения или современных медицинских технологий.Но сегодняшние компьютерные чипы работают при очень низком напряжении всего 1–2 вольт - при более высоких напряжениях они будут сломаться.

Фихтнер и его коллеги смогли создать материал в виде пленки толщиной всего 4-5 нанометров, уменьшив напряжение, необходимое от исходного более чем 100 вольт до 1 вольт.«В нашем исследовании мы впервые смогли показать, что нитрид алюминиевого скандея также работает в этих небольших измерениях, не изменяя его свойства», - говорит доктор Саймон Фихтнер, научный сотрудник Университета Киля и ISIT.«Таким образом, он работает на стандартных кремниевых чипах и, следовательно, очень хорошо подходит как полупроводник».

Алюминиевый скандальный нитрид теперь может использоваться для производства компонентов, которые имеют размеры всего несколько нанометров и могут быть интегрированы в существующую полупроводниковую технологию.«Это означает, что мы оставляем базовые исследования и можем по -настоящему думать о приложениях впервые», - говорит доктор Никлас Вольф из Центра совместных исследований 1261 «Магнитоэлектрические датчики» в Университете Киля.Междисциплинарная исследовательская сеть уже использует материал в прототипах датчиков для медицинской диагностики.

В рамках проекта BMBF «сальса», исследователи материалов также смогли показать, что клетки памяти, изготовленные из алюминиевого нитрида скандала, значительно более стабильны, чем кремниевые воспоминания, используемые на сегодняшний день.«Наши клетки памяти сохранили свою информацию в тестах при 1000 ° C. Воспоминания кремния, доступные сегодня, работают только до 150 °», - говорит Фихтнер.Это позволяет использовать их в экстремальных условиях, таких как те, которые встречаются во многих промышленных производственных процессах.

В своей докторской диссертации в CAU четыре года назад Фихтнер был первым, кто показал, что нитрид алюминиевого скандея принадлежит группе сегнетоэлектрических материалов, которая вызвала большой интерес к международному исследовательскому сообществу.В сегнетоэлектриках электрические диполи (поляризация + / -) постоянно выровнены без необходимости во внешнем электрическом поле, что и в магните холодильника.Когда применяется электрическое напряжение, кристаллическая структура материала на атомном уровне изменяется, как и его электрическая ориентация.

Поэтому электрические свойства этих материалов могут быть изменены контролируемым образом снаружи, их можно «переключаться» между двумя состояниями.Это делает их очень интересными для промышленных приложений, но до сих пор они не были достаточно мощными или слишком ненадежными.Тот факт, что алюминиевый нитрид скандала работает при высоких температурах и с напряжением всего один вольт, является четким преимуществом по сравнению с обычными сегнетоэлектрическими материалами.

В своем исследовании исследовательская группа также впервые показала то, что происходит при алюминиевом нитриде скандала во время процесса переключения.Они использовали сканирующее просвечивающее электронное микроскоп для анализа атомной структуры материала по нанометровой шкале.Они смогли показать, что расположение атомов азота и алюминия изменяется после применения напряжения.

«Удивительно, но это происходит не повсюду в материале одновременно, как в некоторых других сегнетоэлектрических материалах, а довольно плавно, в отдельных областях один за другим», - говорит Вольф.Другими словами, материал не переключается сразу.

«Если вы считаете, что наши текущие технологии хранения работают с двумя состояниями 0 и 1, другие промежуточные состояния и совершенно разные приложения могут быть возможны», - добавляет докторский исследователь Георг Шонвегер.

«Подключение к существующим технологиям открывает широкий спектр возможных применений, включая электронику электроники, которая полностью основана на полупроводниках нитрида галлия, высокочастотной технологии или более энергоэффективной компьютерной архитектуре»,-говорит профессор Германн Колштедт, представитель CallaboratiИсследовательский центр 1461 «Нейротроника».Здесь изучается использование алюминиевого нитрида скандала для инновационных нейроморфных компьютеров на основе мозга человека.

В рамках проекта BMBF Fraunhofer Isit исследует свое использование для приводов, например, в громкоговорителях, и уже разработал прототипы для этой цели.Институт прикладной физики твердого состояния Фраунхофера во Фрайбурге (МАФ) работает над интеграцией сегнетоэлектрических тонких пленок, изготовленных из нитрида алюминиевого скандея при производстве лучших транзисторов.

Больше информации: Georg Schönweger и др., Внутренние сегнетоэлектрические переключения в тонких пленках под 5 нм Al0,74SC0.26N при 1 В, Advanced Science (2023).Doi: 10.1002/Advs.202302296