Ученые МФТИ продлили память на основе сегнетоэлектриков до рекордных 100 миллионов циклов перезаписи. Это в тысячи раз превышает ресурс современной флеш-памяти. Открытие позволяет создавать устройства памяти нового поколения для кардиостимуляторов, нейроинтерфейсов и энергоэффективных ИИ дата-центров. Результаты исследований опубликованы в журналах Journal of Alloys and Compounds, Physical Review Applied, Applied Physics Letters.
Память на основе сегнетоэлектриков демонстрирует мгновенную загрузку, отличается высокой энергоэффективностью и обладает практически неограниченным сроком перезаписи. Благодаря способности удерживать поляризацию даже после устранения внешнего электрического воздействия, эти материалы сохраняют информацию без необходимости подключения к источнику питания. Сегнетоэлектрики могут применяться в виде плёнок толщиной в несколько нанометров, что делает их идеальными для использования в компактных микросхемах. Подобные материалы способны существовать не только в двух состояниях – «0» и «1» – но и во множестве промежуточных значений. Это позволяет создавать транзисторы, функциональность которых аналогична работе синапсов в человеческом мозге.
В рамках нового цикла исследований специалисты МФТИ разработали способ предсказания характеристик работы памяти, использующей перспективный сегнетоэлектрик – оксид гафния и циркония. Это позволило им добиться оптимального сочетания скорости, надёжности и срока службы.
«Оптимальный объем памяти — это компромисс. В некоторых случаях важна продолжительная работа от аккумулятора, а в других — возможность многократно и оперативно стирать и записывать данные. Наша разработка предоставляет инженерам ориентир для принятия решений в этой области», — пояснила Анастасия Чуприк, старший научный сотрудник и руководитель лаборатории перспективных концепций хранения данных Московского физико-технического института.
Обнаружена причина возникновения токов утечки и разработан метод их контроля
Основная трудность, возникающая у инженеров при разработке ультратонких запоминающих слоев, заключается в протекании токов утечки. С уменьшением толщины слоя увеличивается величина тока, проходящего через него. Это снижает энергоэффективность устройства и ухудшает качество сигнала.
Для выяснения механизма и причин этого явления, исследователи провели тщательное изучение структуры и характеристик пленок из оксида гафния-циркония, представляющего интерес в качестве сегнетоэлектрика. Толщина этих пленок варьировалась от 5 до 10 нанометров.
Специалисты Московского физико-технического института установили, что электрический ток перемещается не сквозь кристаллы, а вдоль границ, разделяющих их. Снижение толщины плёнки приводит к уменьшению размера кристаллических зёрен и увеличению общей длины их границ. Эти границы выступают в роли уловителей электронов.
«Выяснилось, что основной причиной увеличения токов утечки выступают границы между кристаллическими зёрнами, присутствующими в структуре пленки. При уменьшении толщины пленки размер этих зёрен сокращается, что приводит к увеличению общей длины границ. Данные границы, являясь прирожденными дефектами, выступают в качестве мест захвата электронов. Таким образом, увеличение количества таких дефектов обуславливает рост тока утечки», — пояснил Илья Савичев, младший научный сотрудник лаборатории перспективных концепций хранения данных МФТИ.
Для регулирования этого явления необходимо контролировать размер кристаллических зёрен, оптимизировать процесс отжига, выбирать подходящие материалы электродов и использовать специальные затравочные слои.
Разработана модель, позволяющая прогнозировать потери данных на несколько лет
С целью увеличения срока службы микрочипов специалисты работают над снижением напряжения питания памяти. Это позволяет сократить потребление энергии и уменьшить нагрев, однако в этом случае переключение плёнки происходит не полностью, и она переходит в состояние, известное как «полидоменное», когда некоторые области уже переключены, а другие – нет. Ранее оставалось неясным, как долго данные могут храниться в таком состоянии.
Специалисты Московского физико-технического института разработали микроскопические конденсаторы, в которых сегнетоэлектрическая плёнка расположена между электродами, созданными из вольфрама и нитрида титана. Для имитации записи, хранения и считывания информации, а также для регистрации изменения тока в различные моменты времени, исследователи использовали последовательность импульсов с напряжением от 0,95 до 3,5 Вольт. На основании полученных данных физики создали математическую модель, позволяющую прогнозировать работу памяти на протяжении нескольких лет.
Анализ выявил: потеря данных обусловлена импринтом – процессом внедрения записанной информации в структуру материала. С течением времени на дефектах структуры и границах слоёв происходит накопление заряда. Это приводит к формированию внутри плёнки собственного электрического поля, которое со временем изменяет характеристики ячеек. Как следствие, напряжение, требуемое для считывания, превышает рабочее, и устройство больше не способно распознать записанные данные.
«В ходе исследования было установлено, что наличие отпечатка на плёнках обуславливает одновременное протекание двух противоречивых процессов, приводящих к утрате данных. Некоторые области со временем перестают быть доступными для чтения, в то время как другие возвращаются в исходное состояние в процессе считывания. Предложенная нами модель учитывает указанные факторы и позволяет определить оптимальное напряжение, обеспечивающее энергоэффективность и надёжность памяти», — пояснила Елизавета Калика, инженер-исследователь лаборатории перспективных концепций хранения данных Московского физико-технического института.
Благодаря новой модели инженеры смогут на стадии разработки выбирать наилучшие параметры функционирования чипа для решения конкретных задач и прогнозировать срок службы устройства.
Достигнут оптимальный баланс между производительностью и защитой информации
Стремясь увеличить объём хранимой информации и уменьшить энергозатраты, разработчики стремятся к созданию максимально тонких пленок. Однако имеющиеся сведения указывают на то, что уменьшение толщины неизбежно сказывается на характеристиках сегнетоэлектриков, приводя к их ухудшению.
В ходе недавнего исследования ученые столкнулись с неожиданными результатами, проанализировав взаимосвязь между толщиной сегнетоэлектрической пленки, долговечностью записи-перезаписи и стабильностью хранения данных. В рамках эксперимента была создана серия конденсаторов, у которых толщина активного слоя варьировалась от 5 до 10 нанометров.
Плёнка наименьшей толщины (5 нанометров) продемонстрировала несколько сниженные характеристики удержания заряда, однако, вопреки ожиданиям, она выдержала свыше 100 миллионов циклов перезаписи. В качестве примера, плёнки толщиной 6 и 8 нанометров выходили из строя после 1–10 миллионов циклов. Наилучшие показатели удержания данных в течение длительного периода времени показала самая толстая плёнка (10 нанометров), хотя ее ресурс перезаписи был ограничен.
В результате, специалисты из МФТИ разработали руководство для инженеров, занимающихся проектированием устройств памяти, использующих сегнетоэлектрики. В нём изложены способы снижения утечек тока, представлена формула для оценки долговечности хранения данных, а также подчёркнута взаимосвязь между поляризацией и сроком службы.
Данное исследование создает фундамент для разработки перспективных решений в области памяти, которые могут быть использованы в самых разных сферах: начиная от сверхнадежных имплантируемых устройств и заканчивая высокоскоростными и экономичными микросхемами для систем искусственного интеллекта.
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ