Ferroeletricidade emergente em óxidos binários

Os filmes finos de óxidos binários ferroelétricos estão chamando a atenção por sua compatibilidade superior em relação aos materiais ferroelétricos tradicionais à base de perovskita. Sua compatibilidade e escalabilidade dentro da estrutura CMOS o tornam um candidato ideal para integração de dispositivos ferroelétricos em componentes semicondutores convencionais, incluindo dispositivos de memória de próxima geração e vários dispositivos lógicos, como transistor de efeito de campo ferroelétrico e transistor de efeito de campo de capacitância negativa.

Foi relatado que permanecem desafios na adoção generalizada destes materiais, tais como controle eletrostático insuficiente, confiabilidade comprometida e variação séria para o escalonamento EOT em termos de integração em grande escala.

Pesquisa publicada em Futuros de Materiais elucidou comportamentos do tipo ferroelétrico em filme dielétrico amorfo. No entanto, é difícil distinguir claramente esta histerese e ferroeletricidade observadas com filmes ferroelétricos clássicos com contribuições conclusivas de fases específicas. Portanto, é imperativo notar que a classificação de materiais amorfos como ferroelétricos está sujeita a debate científico contínuo.

O mecanismo físico da ferroeletricidade discutido pelos autores envolve o movimento reversível dos íons de oxigênio durante a pulsação elétrica. Este movimento de íons de oxigênio é considerado um facilitador chave para o comportamento ferroelétrico emergente observado em óxidos binários. Os autores sugerem que este movimento reversível de íons de oxigênio desempenha um papel crucial na indução e controle das propriedades ferroelétricas dos materiais.

Os pesquisadores descobriram que existe ferroeletricidade emergente no sistema de óxido ultrafino devido à migração microscópica de íons no processo de comutação. Esses filmes de óxido binário ferroelétrico são governados pelo mecanismo de comutação limitado por interface. Dispositivos de memória não volátil com dielétricos amorfos ultrafinos reduziram a tensão operacional para ± 1 V.

Embora uma série de testes de caracterização e análises de simulação tenham sido realizadas, a compreensão do mecanismo por trás da ferroeletricidade emergente no dielétrico amorfo permanece limitada. Para avançar na aplicação deste novo material ferroelétrico, mais pesquisas sobre o mecanismo teórico devem ser realizadas.

O professor Yan Liu, autor sênior do estudo, disse: “Nosso trabalho não apenas elucida o mecanismo por trás do surgimento da ferroeletricidade em óxidos binários, mas também abre caminho para avanços inovadores na tecnologia de semicondutores.”

“O avanço de métodos de computação inovadores, como a computação neuromórfica, está intimamente ligado ao desenvolvimento de novos dispositivos e arquiteturas. Uma área principal de ênfase são os materiais ferroelétricos, que são essenciais para a integração com a tecnologia CMOS existente. Demonstramos que a ferroeletricidade pode ser projetado em dielétricos amorfos convencionais de alto κ simplesmente ajustando o nível de oxigênio durante a deposição de ALD em baixa temperatura.”

“A descoberta da ferroeletricidade emergente em óxidos binários amorfos abre um novo caminho para soluções de tecnologia de armazenamento não volátil, que podem evitar as deficiências de degradação da confiabilidade e aumento de vazamento de porta no escalonamento de HfO dopado policristalino₂filmes baseados em. Com base nos dielétricos amorfos, um dispositivo de memória não volátil com compatibilidade de processo de baixa temperatura, baixa corrente de fuga, excelente confiabilidade e baixa tensão operacional pode ser realizado.”

A abordagem apresentada expande o objeto de pesquisa da ferroeletricidade convencional para projetar uma série de óxidos binários extremamente finos amplamente utilizados para transistores lógicos ou de memória para a futura tecnologia CMOS.