Секрет вечной памяти… в халтуре. Ресурс чипов вырос в 1000 раз, когда их перестали «дожимать» до конца

Исследователи показали, что один из перспективных материалов для энергонезависимой памяти можно сделать гораздо более живучим, чем считалось раньше. Речь идет об алюминий-скандиевом нитриде AlScN с так называемой вюрцитной кристаллической структурой. Этот материал относится к сегнетоэлектрикам — веществам, в которых электрическая поляризация может переключаться под действием напряжения и сохраняться без питания. Именно это свойство делает сегнетоэлектрики привлекательными для памяти, которая не теряет данные при выключении питания.

AlScN давно привлек внимание разработчиков из-за очень высокой поляризации — более 100 мкКл/см². Проще говоря, материал способен хранить выраженное электрическое состояние, что потенциально позволяет создавать быстрые и компактные ячейки памяти. Однако у этой медали была обратная сторона. Чтобы изменить направление поляризации, требовались крайне высокие электрические поля — свыше 3 МВ/см. Из-за этого элементы быстро изнашивались и выдерживали лишь около 10⁷ циклов перезаписи, то есть всего несколько миллионов операций.

Для запоминающих устройств это серьезное ограничение. Современная память должна выдерживать не миллионы, а миллиарды и триллионы переключений, особенно если речь идет о встроенной или промышленной электронике. Поэтому AlScN долгое время считался перспективным, но проблемным материалом.

В новой работе исследователи показали, что ключевая проблема кроется не столько в самом материале, сколько в том, как именно его переключать. Эксперименты проводились на тонких конденсаторах из Al₀․₆₄Sc₀․₃₆N толщиной 45 нанометров. Напряжение на них подавалось с высокой точностью, что позволило управлять глубиной переключения поляризации.

Когда поляризацию разворачивали полностью — то есть переводили материал из одного устойчивого состояния в противоположное, — величина 2Pr достигала примерно 200 мкКл/см². В этом режиме элементы выдерживали около 10⁸ циклов записи. Это уже лучше, чем в ранних экспериментах, но все еще недостаточно для широкого применения.

Принципиально иной результат появился, когда исследователи отказались от полного переключения. Вместо этого они использовали частичный разворот поляризации — состояние, при котором материал не доходит до максимума, но все равно сохраняет устойчивый электрический отклик. В таком режиме ресурс резко вырос: элементы выдержали более 10¹⁰ циклов записи. Это примерно в тысячу раз больше, чем показывали предыдущие работы с вюрцитными сегнетоэлектриками.

Важно, что частичное переключение не превратило материал в «бесполезный». Даже в этом режиме значение 2Pr превышало 30 мкКл/см², то есть сигнал оставался достаточно сильным для использования в памяти. Фактически исследователи показали, что нет необходимости каждый раз «выжимать» из материала максимум, чтобы получить надежную работу.

Дополнительную роль сыграло уменьшение размеров элементов. В оптимизированных устройствах диаметром около 10 микрометров удалось добиться пробивных полей, близких к 10 МВ/см. Это означает, что материал выдерживает очень высокие напряжения, прежде чем разрушается. По словам авторов, такие значения являются рекордными для сегнетоэлектриков с вюрцитной структурой.

В итоге работа показывает простой, но важный принцип: сочетание частичного переключения поляризации и масштабирования размеров позволяет одновременно повысить долговечность и снизить энергозатраты. Для энергонезависимой памяти это означает шанс совместить надежность, скорость и компактность без отказа от нитридных материалов.