| Аннотация |
В последние годы гибкой электронике уделяется все больше внимания, поскольку она предлагает ряд новых
применений, касающихся множества областей, таких как гибкие схемы, гибкие дисплеи, электронный текстиль,
электронная бумага, носимые устройства, устройства радиочастотной идентификации (RFID), медицинские
сенсоры и имплантируемые устройства. Гибкая электроника позволяет электронным системам быть
компактными, легкими, ультратонкими, растягиваемыми.
Гибкая и носимая электроника нового поколения требует реализации гибких активных элементов, в
потенциале, микроконтроллеров, включая транзисторы и энергонезависимую память для хранения данных.
Агентство Mordor Intelligence прогнозирует рост объема рынка с 19.95 трлн долларов США в 2024 году до 46.79
трлн долларов США к 2029 году. Эти данные, количество публикаций, поэтапная трансляция фундаментальных
результатов в прикладные разработки с последующим внедрением новейших достижений в производство в
краткие сроки, безусловно, свидетельствует о колоссальном интересе к разработке гибкой
энергонезависимой памяти – об АКТУАЛЬНОСТИ решения ключевых задач гибкой и носимой электроники в
области разработки гибкой энергонезависимой памяти с высокими техническими характеристиками.
Элементы энергонезависимой памяти должны обладать высокой плотностью интегрирования, низким
энергопотреблением, высоким быстродействием, большим ресурсом и однородностью рабочих параметров. В
настоящий момент для разработки гибкой энергонезависимой памяти используется несколько концепций.
Одной из наиболее привлекательных является память на основе сегнетоэлектрических полевых транзисторов
(ferroelectric field effect transistor, FeFET), поскольку относится к недеструктивным типам энергонезависимой
памяти, что существенно увеличивает ресурс устройств и упрощает архитектуру памяти их основе, что, в свою
очередь, позволяет достичь высокой плотности ячеек памяти.
Большим потенциалом для создания гибких сегнетоэлектрических транзисторов обладает новейший материал
– сегнетоэлектрические поликристаллические пленки нитрида алюминия-бора, которые являются
функциональным материалом предлагаемого проекта. Сегнетоэлектричество в легированных (сплавных)
нитридах алюминия было открыто несколько лет назад - в 2019 году в поликристаллических пленках нитрида
алюминия, легированного скандием, Al1-xScxN (AlScN), а в 2021 году в нитриде алюминия-бора Al1-xBxN (AlBN).
Эти материалы вызвали большой интерес разработчиков устройств энергонезависимой памяти, поскольку они
обладают гигантской остаточной поляризацией (до 150 мкКл/см2), очень узким распределением коэрцитивных
полей (разброс составляет 5-10 % от среднего значения), высоким напряжением пробоя, что указывает на
потенциально высокие технические характеристики памяти на основе этих материалов. Наиболее
перспективным является нитрид алюминия-бора, который идеально совместимым с полупроводниковой
технологией, поскольку все его химические компоненты в настоящее применяются в современной
полупроводниковой технологии, а его основа – нитрид алюминия – уже сейчас широко применяется в
промышленности для пьезо-МЭМС приложений.
С точки зрения разработки энергонезависимой памяти (как гибкой, так и жесткой) важным является то, что так
называемый эффект импринта в пленках легированного нитрида алюминия очень мал. А между тем, именно он
является основным физическим механизмом, ограничивающим время хранения состояния в
сегнетоэлектрической памяти – наиболее проблемной характеристики данного типа энергонезависимой
памяти. Это указывает на высокий потенциал данного материала для разработки сегнетоэлектрической
памяти с высокими показателями надежности, в том числе её важнейшего типа – сегнетоэлектрического
транзистора. Также большой интерес вызывает то, что сегнетоэлектрические нитриды являются
полупроводниками. Поэтому помимо классических сегнетоэлектрических транзисторов возможна разработка
сегнетоэлектрических транзисторов новой концепции, в которой сегнетоэлектрический слой является как
материалом канала, так и используется для хранения информации в ориентации вектора поляризации.
К настоящему моменту продемонстрирован ряд элементов хранения информации на основе легированного
нитрида алюминия на жестких подложках: элементы сегнетоэлектрической памяти с произвольным доступом
(сегнетоэлектрические конденсаторы), сегнетоэлектрические туннельные переходы (а корректнее,
резистивные элементы) и сегнетоэлектрические транзисторы. Что касается разработки гибких запоминающих
устройств на основе перспективного сегнетоэлектрического материала, на октябрь 2024 года эта ниша
абсолютна пуста. Между тем, к настоящему моменту показана масштабируемость сегнетоэлектрических
пленок нитрида алюминия-скандия (родственного функциональному материалу проекта) до 20 нм, что
указывает на перспективность материалов данного класса для разработки гибкой памяти, поскольку
обеспечивает малые внутренние механические напряжения. Поэтому НАУЧНАЯ НОВИЗНА настоящего проекта
заключается в том, что ВПЕРВЫЕ будут изготовлены макеты гибкой сегнетоэлектрической памяти (в конечном
итоге, её наиболее перспективного вида – сегнетоэлектрического транзистора) на основе нитрида
алюминия-бора с повышенными рабочими характеристиками (большое окно памяти, увеличенные время
хранения информации и ресурс циклов записи-перезаписи), совместимого с современными технологическими
процессами гибкой электроники.
Для достижения цели проекта планируется реализовать системный комплексный подход, включающий
технологический, экспериментальный и теоретический блоки. В первую очередь, должен быть разработан
технологический процесс синтеза КМОП-совместимых функциональных пленок AlBN методом магнетронного
напыления с сегнетоэлектрическими и изоляционными свойствами, приемлемыми для использования в
качестве функционального слоя элементов хранения сегнетоэлектрической памяти. Будет экспериментально
исследовано влияние материалов электродов и подложки, химического состава и толщины пленок, а также
условий синтеза пленок AlBN на их структурные, сегнетоэлектрические (остаточная поляризация,
коэрцитивное поле), изоляционные (диэлектрическая проницаемость, ток утечки), электронные (ширина
запрещенной зоны) свойства. Для прототипов гибких сегнетоэлектрических конденсаторов и транзисторов
будет исследовано влияние механических деформаций на функциональные свойства и характеристики.
Данные результаты будут проанализированы теоретически с помощью квантово-механических расчётов из
первых принципов. Теоретическая часть также включает разработку физических основ обеспечения
надежности сегнетоэлектрической памяти на основе нитридов алюминия-бора, в первую очередь, разработку
моделей потери состояния и кинетики переключения поляризации, определяющей скорость записи-перезаписи информации, на основе экспериментальных данных.
|
