Neuer nichtflüchtiger Speicher könnte 10 Milliarden Umschreibzyklen überstehen

• Der neue ferroelektrische Kondensator, der im Labor gebaut wurde, könnte 10 Milliarden Umschreibzyklen überstehen.
• Im Gegensatz zu bestehenden Flash-Laufwerken könnten ferroelektrische Speichergeräte der kosmischen Strahlung standhalten und sogar im Weltraum betrieben werden.

Das Konzept für nichtflüchtige Speicherbausteine, die ferroelektrische Dünnbleche mit elektrisch schaltbarer spontaner Polarisation verwenden, hat aufgrund des sehr geringen Stromverbrauchs, der hohen Schreibgeschwindigkeit und der theoretisch unbegrenzten Lebensdauer ein enormes Potenzial.

Heutzutage verfolgt die Elektronikindustrie neue nichtflüchtige Speichertechnologien, um eine längere Lebensdauer und schnellere Zugriffsgeschwindigkeiten als bestehende Solid-State- und Flash-Laufwerke zu erreichen. Einer der vielversprechenden Kandidaten ist der auf Hafniumdioxid basierende Speicher. Es verwendet ein dielektrisches Material, das der Mikroelektronikindustrie bereits bekannt ist.

Bei einer speziellen Temperaturbehandlung und Legierung kann eine dünne Hafniumdioxidschicht metastabile Kristalle bilden, die ferroelektrische Eigenschaften aufweisen. Dies bedeutet, dass sich diese Kristalle die Richtung des an sie angelegten elektrischen Feldes „merken“ können.

Die Struktur dieser neuen Speicherzelle (Zirkonium-Hafnium-Oxid-Film) ähnelt einem gewöhnlichen elektrischen Kondensator. Es ist ungefähr 10 Nanometer dick und befindet sich zwischen zwei Elektroden.

Die Restpolarisation der ferroelektrischen Kondensatoren muss maximiert werden, damit sie als Speicherzellen verwendet werden können. Um dies zu gewährleisten, müssen die Forscher jedoch die Prozesse, die in der dünnen Schicht ablaufen, gründlich verstehen. Dabei wird das über den Nanofilm verteilte elektrische Potenzial gemessen.

Durchbruch auf dem Weg zu neuen nichtflüchtigen Speichertypen

Obwohl die ferroelektrische Phase in Hafniumoxid vor einem Jahrzehnt entdeckt wurde, konnten Wissenschaftler ihre Potentialverteilung noch nicht direkt auf der Nanoskala messen.

Jetzt haben Forscher des Moskauer Instituts für Physik und Technologie eine einzigartige Technik zur Bestimmung der elektrischen Potenzialverteilung über einen ferroelektrischen Kondensator entwickelt.

Referenz:Nanoskala | DOI:10.1039/C9NR05904K | MIPT

Sie verwendeten harte Röntgen-Photoemissionsspektroskopie, um den Speicherkondensator zu untersuchen. Die Technik beruht auf dem Stehwellenmodus des starken monochromatischen Röntgenstrahls. Es misst das lokale elektrostatische Potenzial, indem es die Linienverschiebungen auf Kernebene untersucht.

Die Ergebnisse zeigen, dass das elektrische Potenzialprofil über der Zirkonium-Hafniumoxid-Schicht nichtlinear ist und sich mit dem Polarisationswechsel ändert.

Eine herkömmliche SSD 

Die Forscher kombinierten die Daten aus der Rastertransmissionselektronenmikroskopie mit theoretischer Modellierung und erklärten das beobachtete nichtlineare Potenzialverhalten in Bezug auf Defekte in Zirkonium-Hafniumoxid an beiden Grenzflächen und ihren durch die ferroelektrische Polarisation modulierten Ladungszustand.

Zusammenfassend wirft die Studie ein neues Licht auf die intrinsischen elektronischen Eigenschaften von ferroelektrischen Kondensatoren auf Hafniumoxid-Basis und warum sie für die Entwicklung von Speichergeräten wichtig sind.

Forscher behaupteten, dass der ferroelektrische Kondensator, der in ihrem Labor gebaut wurde, 10 Milliarden Umschreibzyklen überstehen könnte, fast 100.000 Mal mehr als das, was heutige Flashs aushalten können.

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Anders als Bauelemente auf Halbleiterbasis werden ferroelektrische Speicherbauelemente nicht durch externe Strahlung beeinflusst. Dies bedeutet, dass sie der kosmischen Strahlung standhalten und sogar im Weltraum operieren könnten.