Habilitando dispositivos de memória ferroelétrica de última geração

Imagine uma película fina, com apenas nanômetros de espessura, que poderia armazenar gigabytes de dados — o suficiente para filmes, videogames e vídeos. Esse é o potencial empolgante dos materiais ferroelétricos para armazenamento de memória. Esses materiais têm um arranjo único de íons, resultando em dois estados de polarização distintos, análogos a 0 e 1 em código binário, que podem ser usados ​​para armazenamento de memória digital.

Esses estados são estáveis, o que significa que eles podem “lembrar” dados sem energia, e podem ser alternados eficientemente aplicando um pequeno campo elétrico. Essa propriedade os torna extremamente eficientes em termos de energia e capazes de velocidades rápidas de leitura e gravação. No entanto, alguns materiais ferroelétricos bem conhecidos, como Pb(Zr,Ti)O₃ (PZT) e SrBi₂Voltado para₂O₉degradam-se e perdem sua polarização quando expostos ao tratamento térmico com hidrogênio durante a fabricação.

Em um estudo publicado na revista Letras de Física Aplicadauma equipe de pesquisa liderada pelo professor assistente Kazuki Okamoto e Hiroshi Funakubo do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech), em colaboração com a Canon ANELVA Corporation e o Instituto de Pesquisa em Radiação Síncrotron do Japão (JASRI), mostrou que os filmes ferroelétricos de nitreto de alumínio e escândio (AlScN) permanecem estáveis ​​e mantêm suas propriedades ferroelétricas em temperaturas de até 600 °C.

“Nossos resultados atestam a alta estabilidade da ferroeletricidade dos filmes submetidos ao tratamento térmico em atmosfera com hidrogênio incluído, independentemente do material do eletrodo. Este é um resultado altamente promissor para dispositivos de memória ferroelétrica de próxima geração e oferece mais opções de processamento”, diz Funakubo.

Para que os materiais ferroelétricos sejam compatíveis com processos de fabricação de alta temperatura sob uma H₂-incluídas na atmosfera, elas idealmente deveriam experimentar pouca ou nenhuma degradação em sua estrutura cristalina e propriedades ferroelétricas. Dois parâmetros cruciais a esse respeito são a polarização remanescente (P_r) e campo coercitivo (E_c). P_r refere-se à polarização retida após a remoção do campo elétrico, enquanto E_c é o campo elétrico necessário para mudar o estado de polarização do material.

AlScN tem um P mais alto_r (>100 µC/cm²) do que PZT (30–50 µC/cm²). No entanto, o impacto do tratamento térmico sob um H₂-a atmosfera incluída em suas propriedades não estava clara até agora.

Para investigar isso, os pesquisadores depositaram (Al_0,8Esc_0,2)N filme em um substrato de silício usando pulverização catódica a 400°C. Os filmes foram colocados entre dois eletrodos de platina (Pt) e nitreto de titânio (TiN). Os eletrodos desempenham um papel crucial na estabilidade do material. Pt encoraja a incorporação de gás hidrogênio no filme, enquanto TiN atua como uma barreira à difusão de H₂. Então, avaliar seu desempenho com diferentes materiais de eletrodo é crucial.

Os filmes passaram por pós-tratamento térmico em uma atmosfera de hidrogênio e argônio por 30 minutos em temperaturas variando de 400 a 600 °C a 800 Torr. Os pesquisadores usaram difração de raios X (XRD) para examinar mudanças na estrutura cristalina no volume e na interface filme-eletrodo. Medidas positivas-cima-negativas-baixo (PUND) foram usadas para avaliar P_r e E_c. Essa técnica envolve a aplicação de campos elétricos positivos e negativos ao filme e a observação da resposta de polarização resultante.

Os filmes mantiveram uma estrutura cristalina estável do tipo wurtzita. P_r permaneceu estável acima de 120 µC/cm², independentemente do eletrodo ou atmosfera de tratamento, valor cinco vezes maior que o HfO₂e três vezes maior que o de PZT. Além disso, E_c aumentou apenas ligeiramente em cerca de 9%. Esse aumento foi atribuído a mudanças na constante de rede cristalina do filme, não devido à presença de hidrogênio ou à escolha do eletrodo usado. Notavelmente, diferentemente de outros materiais ferroelétricos suscetíveis à difusão de hidrogênio, a alta energia de ligação entre Al e N impede que o hidrogênio penetre no filme.

“Os resultados mostram que (Al_0,8Esc_0,2)N é muito mais resistente à degradação por tratamento pós-térmico do que os filmes ferroelétricos convencionais e os filmes ferroelétricos baseados em HfO₂”, diz Funakubo. Com uma estrutura cristalina relativamente estável, um alto P_r valor e uma pequena alteração em E_cOs filmes (Al,Sc)N são candidatos promissores para dispositivos de memória ferroelétrica de próxima geração.