Элемент постоянной памяти на основе проводящего ферроэлектрика GeTe
PERMANENT MEMORY ELEMENT BASED ON CONDUCTIVE GETE FERROELECTRIC

Элемент постоянной памяти на основе проводящего ферроэлектрика теллурида германия (GeTe) предназначен для применения в электронике (в частности, при создании элементов постоянной памяти на основе ферроэлектрических материалов и в системах нейроморфных вычислений) для записи и хранения долговременной информации.
В последнее время значительный интерес привлекают элементы памяти на основе ферроэлектрических материалов. В таких элементах используется наличие спонтанной поляризации у ферроэлектрического кристалла, которой можно управлять приложением внешнего электрического поля. В настоящее время развиваются три основных типа ферроэлектрической памяти: 1. память на основе конденсатора с ферроэлектрическим диэлектриком, где процессы записи и считывания сопряжены со сменой поляризации диэлектрика и сопровождаются протеканием электрического заряда во внешней цепи. 2. Память на основе полевого транзистора, где изменение поляризации подзатворного диэлектрика сдвигает вольт-амперную характеристику прибора. 3. Память на основе туннелирования через ферроэлектрический туннельный барьер, где спонтанная поляризация определяет эффективную высоту туннельного барьера, так что вид туннельной вольт-амперной характеристики зависит от направления ферроэлектрической поляризации. Первые два типа ферроэлектрической памяти реализованы в качестве коммерчески доступных устройств, в то время как последний тип находится в стадии интенсивных исследований. В то же время, все типы ферроэлектрической памяти обладают общим недостатком: для наличия заметных эффектов поляризации диэлектрика, он должен представлять собой массивный (толщиной более 100 нм) трехмерный слой, расположенный между проводящими электродами, что препятствует масштабированию таких элементов к малым размерам современных приборов микроэлектроники. По этой причине, элементы ферроэлектрической памяти до сих пор представляют устройства для отдельных, узкоспециализированных применений.
Известно устройство памяти конденсаторного типа, реализованное на основе слоя ферроэлектрического диэлектрика PbZrxTi-i-хОз между двумя металлическими электродами из иридия [June-Mo Коо et al., "Fabrication of 3D trench PZT capacitors for 256Mbit FRAM device application," IEEE InternationalElectron Devices Meeting, 2005. IEDM Technical Digest., 2005, pp.4 pp. -343, doi: 10.1109/IEDM.2005.1609345.] - прототип. В таком устройстве приложение напряжения между электродами приводит к смене ферроэлектрической поляризации диэлектрика, что сопровождаются протеканием электрического заряда во внешней цепи. В устройстве-прототипе удалось уменьшить размеры слоя диэлектрика в элементе памяти до 0.18 мкм и продемонстрировать надежные переключения состояния элемента памяти приложенным напряжением.
Недостатком устройства-прототипа, является невозможность дальнейшего уменьшения толщины ферроэлектрического диэлектрика, в силу наличия двух границ раздела между ферроэлектриком и металлическими электродами. Процессы диффузии и перезарядки на границах раздела накладывают ограничения на минимальную толщину ферроэлектрического диэлектрика в силу экранировки поля поляризации носителями заряда в металлических электродах и, кроме того, способны вызвать ускоренную деградацию элемента памяти при множественных переключениях, что ограничивает жизненный цикл устройства.
Задача предлагаемого изобретения - создание элемента ферроэлектрической памяти без использования ферроэлектического диэлектрика как прослойки между двумя металлическими электродами, что позволит использовать для разделения электродов стандартный для микроэлектронной промышленности неферроэлектрический диэлектрик - диоксид кремния - толщиной менее 100 нм, в зависимости от требований технологического процесса.
Поставленная задача решается тем, что в элементе постоянной памяти на основе проводящего ферроэлектрика, включающем два электрода и диэлектрическую прослойку между ними, один из электродов выполнен из проводящего ферроэлектрика GeTe, диэлектрическая прослойка выполнена из диоксида кремния толщиной менее 100 нм, а второй электрод выполнен из кремния с р-типом проводимости, причем диэлектрическая прослойка образована окислением поверхности электрода из p-Si.
В таком элементе памяти запись информации производится за счет изменения направления спонтанной ферроэлектрической поляризации в электроде вблизи границы раздела GeTe-диоксид кремния при приложении напряжения от 1 В до 15 В, а считывание возможно путем измерения емкости при напряжениях от 10 мВ до 100 мВ.
Проводящие ферроэлектрики, или, как их еще называют, полярные металлы, привлекли значительный интерес в силу сосуществования спонтанной ферроэлектрической поляризации и значительной проводимости в таких системах. Такое сосуществование в большинстве случаев объясняется слоистой структурой таких соединений: они отличаются значительной проводимостью внутри каждого слоя, в то время как перераспределение электрического заряда между слоями подавлено, что и обеспечивает возможность иметь поле спонтанной ферроэлектрической поляризации, направленное перпендикулярно к проводящим слоям. Среди этих материалов GeTe представляет особенный интерес благодаря гигантскому спин-орбитальному расщеплению, что так же важно и для задач спинтроники. Ферроэлектрическая поляризация в GeTe наблюдалась для эпитаксиальных пленок, нанопроводов, объемных кристаллов, что делает GeTe технологически привлекательным материалом. Теллурид германия α-GeTe характеризуется нецентросимметричной искаженной ромбоэдрической структурой с пространственной группой симметрии R3m.
Пример исполнения устройства показан на Фиг. 1. Для обеспечения легкой интеграции элемента памяти в современные технологические процессы, слой проводящего GeTe (3) размещен на поверхности стандартной оксидированной кремниевой пластины, при этом слаболегированный объемный слой кремния (1) р-типа проводимости служит как второй хорошо проводящий электрод, а 100 нм (и менее, в зависимости от условий технологического процесса) слой диоксида кремния на поверхности пластины (2) выполняет роль высококачественного диэлектрика.
Емкостная (вольт-фарадная) характеристика такой структуры определяется зависимостью плотности состояний в слоях GeTe около границы раздела с диоксидом кремния от приложенного напряжения смещения, что, в силу доминирующей роли спин-орбитального расщепления в GeTe, приводит к немонотонной емкостной кривой с максимумом при околонулевых значениях напряжения смещения. Положение максимума сдвигается при переключении направления ферроэлектрической поляризации, что вызывает зависимость измеренного значения емкости от направления поляризации в GeTe.
При таком типе вольт-фарадной характеристики, приложение больших от 1 В до 15 В напряжений смещения обоих знаков позволяет изменить направление ферроэлектрической поляризации в GeTe, и, таким образом, произвести запись информации в ячейку памяти. При этом, приложение малых напряжений от 10 мВ до 100 мВ не влияет на состояние ячейки памяти и позволяет произвести считывание информации путем измерения емкости устройства. Процесс записи является полностью обратимым (при приложении напряжения обратной полярности), допускает многократные циклы записи без ухудшения параметров устройства в силу высокого качества границы раздела GeTe - диоксид кремния на поверхности промышленной кремниевой подложки. Таким образом, в предлагаемом устройстве реализуется контролируемое изменение емкости структуры при приложении импульса напряжения определенной полярности, и многократное считывание состояния устройства (значения емкости) без его изменения.
На Фиг. 2 показан график зависимости емкости С для структуры p-Si - SiO2 - GeTe от электрического напряжения Vg, приложенного между проводящими электродами из слаболегированного кремния с р-типом проводимости и проводящего ферроэлектрика GeTe. Направление изменения напряжения для кривых на графике показано стрелками. Видно смещение вольт-фарадных кривых, при приложении напряжения от 1 В до 15 В обоих знаков. При этом кривые прекрасно воспроизводимы при многократном изменении напряжения в одном направлении.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Приложение малых (в интервале от от 10 мВ до 100 мВ) напряжений к структуре p-Si - SiO2 - GeTe позволяет многократно считывать состояние устройства без его изменения путем измерения емкости структуры. Приложение больших (в интервале от 1 В до 15 В обоих знаков) напряжений контролируемо изменяет значение емкости, как показано на вставке в Фиг. 2, это состояние сохраняется стабильно при отключении напряжения и может многократно считываться при приложении напряжений в интервале от от 10 мВ до 100 мВ.
Использование такого устройства позволит значительно упростить реализацию ферроэлектрической ячейки памяти за счет использования проводящего ферроэлектрика как одного из электродов в структуре на основе промышленной кремниевой подложки, обеспечить таким образом легкую интеграцию предложенной ячейки в промышленные технологические процессы и подавить деградацию ферроэлектика за счет уменьшения используемых границ раздела ферроэлектрического материала с другими элементами структуры.