Aluminiumscandiumnitridefilms: de volgende generatie ferro-elektrische geheugenapparaten mogelijk maken

Stel je een dunne film voor, slechts nanometers dik, die gigabytes aan data kan opslaan, genoeg voor films, videogames en video’s. Dit is het opwindende potentieel van ferro-elektrische materialen voor geheugenopslag. Deze materialen hebben een unieke rangschikking van ionen, wat resulteert in twee verschillende polarisatietoestanden analoog aan 0 en 1 in binaire code, die kunnen worden gebruikt voor digitale geheugenopslag.

Deze toestanden zijn stabiel, wat betekent dat ze gegevens kunnen ‘onthouden’ zonder stroom, en efficiënt kunnen worden geschakeld door een klein elektrisch veld aan te leggen. Deze eigenschap maakt ze extreem energiezuinig en in staat tot hoge lees- en schrijfsnelheden. Echter, sommige bekende ferro-elektrische materialen, zoals Pb(Zr,Ti)O₃ (PZT) en SrBi₂jij₂O₉degraderen en verliezen hun polarisatie wanneer ze tijdens de productie worden blootgesteld aan een warmtebehandeling met waterstof.

In een onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Toegepaste natuurkunde brieveneen onderzoeksteam onder leiding van universitair docent Kazuki Okamoto en Hiroshi Funakubo aan het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), in samenwerking met Canon ANELVA Corporation en het Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), heeft aangetoond dat ferro-elektrische films van aluminiumscandiumnitride (AlScN) stabiel blijven en hun ferro-elektrische eigenschappen behouden bij temperaturen tot 600 °C.

“Onze resultaten getuigen van de hoge stabiliteit van de ferro-elektriciteit van de films die zijn onderworpen aan warmtebehandeling in een waterstof-omvattende atmosfeer, ongeacht het elektrodemateriaal. Dit is een zeer veelbelovend resultaat voor ferro-elektrische geheugenapparaten van de volgende generatie en biedt meer verwerkingsopties”, aldus Funakubo.

Om ervoor te zorgen dat ferro-elektrische materialen compatibel zijn met fabricageprocessen bij hoge temperaturen onder een H₂-ingesloten atmosfeer, zouden ze idealiter weinig tot geen degradatie in hun kristalstructuur en ferro-elektrische eigenschappen moeten ervaren. Twee cruciale parameters in dit opzicht zijn restpolarisatie (P_R) en dwingend veld (E_C). P_R verwijst naar de polarisatie die behouden blijft na het verwijderen van het elektrische veld, terwijl E_C is het elektrische veld dat nodig is om de polarisatiestatus van het materiaal te veranderen.

AlScN heeft een hogere P_R (>100 µC/cm²) dan PZT (30–50 µC/cm²). De impact van warmtebehandeling onder een H₂– inbegrepen atmosfeer op haar eigendommen was tot nu toe onduidelijk.

Om dit te onderzoeken, hebben de onderzoekers (Al_0,8Sch_0,2)N-film op een siliciumsubstraat met behulp van sputteren bij 400 °C. De films werden geplaatst tussen twee elektroden van platina (Pt) en titanium nitride (TiN). Elektroden spelen een cruciale rol in de stabiliteit van het materiaal. Pt bevordert de opname van waterstofgas in de film, terwijl TiN fungeert als een barrière voor H₂-diffusie. Het is dus cruciaal om de prestaties ervan te evalueren met verschillende elektrodematerialen.

De films ondergingen een na-warmtebehandeling in een waterstof- en argonatmosfeer gedurende 30 minuten bij temperaturen variërend van 400 tot 600 °C bij 800 Torr. De onderzoekers gebruikten röntgendiffractie (XRD) om veranderingen in de kristalstructuur in de bulk en de film-elektrode-interface te onderzoeken. Positieve-omhoog-negatieve-omlaag (PUND) metingen werden gebruikt om P te evalueren_R en E_CBij deze techniek worden positieve en negatieve elektrische velden op de film toegepast en wordt de resulterende polarisatierespons waargenomen.

De films behielden een stabiele wurtziet-achtige kristalstructuur. P_R bleef stabiel boven 120 µC/cm², ongeacht de elektrode of de behandelingsatmosfeer, een waarde die vijf keer groter is dan HfO₂-gebaseerde films en drie keer groter dan die van PZT. Verder is E_C slechts lichtjes met ongeveer 9% toegenomen. Deze toename werd toegeschreven aan veranderingen in de kristalroosterconstante van de film, niet aan de aanwezigheid van waterstof of de keuze van de gebruikte elektrode. Opvallend is dat, in tegenstelling tot andere ferro-elektrische materialen die gevoelig zijn voor waterstofdiffusie, de hoge bindingsenergie tussen Al en N voorkomt dat waterstof de film binnendringt.

“De resultaten tonen aan dat (Al_0,8Sch_0,2)N is veel beter bestand tegen degradatie door nabehandeling dan conventionele ferro-elektrische en HfO₂-gebaseerde ferro-elektrische films,” zegt Funakubo. Met een relatief stabiele kristalstructuur, een hoge P_R waarde, en een kleine verandering in E_C(Al,Sc)N-films zijn een veelbelovende kandidaat voor ferro-elektrische geheugenapparaten van de volgende generatie.