Японские исследователи из Института науки в Токио смогли создать нанопленку с рекордно высоким содержанием скандия в сплаве с нитридом галлия и нитридом алюминия, открывая путь к разработке маломощных устройств хранения информации.
Кроме эффективного хранения информации, эти пленки имеют потенциал для использования в качестве фильтров помех связи 6G и оптических вычислений. Поскольку электронные устройства становятся все меньше в размерах, растет спрос на технологии хранения информации, потребляющие меньше энергии и хранящие большие объемы данных.
Для решения этой проблемы были созданы энергонезависимые ферроэлектрические запоминающие устройства, которые благодаря внутренней электрической поляризации, сохраняют информацию без необходимости постоянного источника питания. Это позволяет продлить срок работы аккумуляторов и добиться более сложных вычислений в мобильных устройствах.
Нитрид галлия (GaN) и нитрид алюминия (AlN), материалы, которые уже используются в светодиодах, имеют уникальные кристаллические структуры, в которых положительные и отрицательные центры заряда естественно смещены. Это смещение создает переключаемую поляризацию, которой можно управлять с помощью внешнего напряжения.
Добавление скандия в эти структуры может значительно снизить рабочее напряжение и обеспечить работу при чрезвычайно низкой мощности. Однако ограничение стабильности нитрида галлия и нитрида алюминия делало увеличение концентрации скандия довольно сложной задачей.
Группа японских исследователей под руководством профессора Хироши Фунакубо добилась значительных успехов, синтезировав тонкие плёнки нитрида галлия и нитрида алюминия с рекордно высоким содержанием скандия. Сначала ученые использовали реактивное магнетронное распыление — метод физического осаждения из паровой фазы тонких пленок на покрытые платиной и титаном кремниевые подложки.
Благодаря тщательной настройке параметров распыления и мощности они синтезировали разнообразный спектр тройных сплавов с различными пропорциями каждого элемента. После этого ученые тщательно изучили полученные пленки с помощью рентгеновской дифракции для определения их кристаллической структуры. Для изучения структуры этих нанопленок на микроуровне была применена электронная микроскопия. Исследователи также провели электрические измерения для оценки их сегнетоэлектрических и диэлектрических свойств.
Благодаря такому систематическому подходу ученые смогли составить «фазовую диаграмму» системы AlN-GaN-ScN, открыв новую область для сегнетоэлектрически активной кристаллической структуры вюрцита при более высоком содержании Sc в присутствии небольшой доли галлия. В результате было достигнуто значительное снижение коэрцитивного поля материала (Ec ) — электрического поля, необходимого для переключения поляризации. Исследователи наблюдали значительное снижение Ec с 5,8 МВ/см до 1,8 МВ/см с увеличением соотношения Sc.
Достигнутое снижение напряжения может привести к снижению энергопотребления в устройствах памяти, решая одну из самых насущных проблем в современной электронике. Помимо приложений памяти, эти новые сегнетоэлектрические пленки также продемонстрировали превосходные пьезоэлектрические и оптоэлектрические свойства.
«Эти свойства открывают потенциальные возможности применения в высокочастотных шумовых фильтрах и оптических вычислительных системах со сверхнизким энергопотреблением, которые необходимы для смартфонов 6G следующего поколения и оптических вычислительных устройств, работающих со сверхнизким энергопотреблением», — объясняет Хироши Фунакубо.
Результаты исследования опубликованы в журнале APL Materials
Источник: TechXplore
Сообщить об опечатке
Текст, который будет отправлен нашим редакторам: