mile米乐集团 成功开发有助于低功耗存储设备的新材料

米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）传感系统研究中心 Masato Uehara，首席研究员 Morito Akiyama，首席研究员 Kenji Hirata，首席研究员 Anggraini Sri Ayu，首席研究员 Hiroshi Yamada，团队负责人，东京理科大学材料科学与技术学院材料系 Hiroshi Funakubo 教授的研究团队开发了一种新材料提高了高工作电压，这是铁电存储器候选材料GaScN的弱点。

随着物联网和人工智能的普及，信息设备中安装的设备对低功耗的需求日益增长。下一代低功耗非易失性存储器，但其中GaScN是一种稳定的晶体，具有优异的耐热性。剩余极化值并且可以很容易地制成薄膜。然而，在材料里面极化，这会增加使用GaScN的铁电存储器的工作电压。通过增加 GaScN 晶体内的 Sc 浓度可以实现更低的电压，但目前 44% 的浓度被认为是极限。

这次，通过充分利用统计方法并审查制造工艺条件，我们开发出了Sc浓度提高了53%的GaScN晶体。结果，我们成功地降低了反转极化所需的电场，并发现与传统方法相比，使用GaScN的铁电存储器的工作电压可以降低60%。该技术有望推动氮化物低功耗非易失性存储器的实际应用。

此研究结果的详细信息将于 2024 年 12 月 2 日发布。APL 材料

随着物联网和人工智能变得越来越流行，所用设备的功耗和二氧化碳排放量将会增加。₂人们担心排放量增加，并且需要降低设备功耗。存储类内存的设备，预计它会利用具有低功耗且非易失性的铁电存储器。

添加各种元素的HfO作为用于存储级存储器的铁电存储器的材料₂(HfO₂系列）被认为是最有可能的。氧化铪₂系统的残余极化为 20 µC/cm²然而，存在各种问题，例如与耐热性直接相关的晶体稳定性、制造过程的成本以及对环境的高影响。

另一方面，GaScN是一种稳定的晶体，具有优异的耐热性，其极化值为HfO₂GaScN 具有铁电体中最大的极化值之一，是系统的四倍以上，GaScN 是溅射法这是一种简单的方法，可以在相对较低的环境影响下制造，因此预计将实现使用GaScN的优异存储器件。然而，有必要反转极化电场强度(矫顽电场) 但 HfO₂的两倍大。系统。该电场强度与使用GaScN的铁电存储器的工作电压成正比，因此降低矫顽电场是需要解决的重要问题。先前的研究结果表明，增加GaScN晶体内的Sc浓度可以有效克服这一弱点。然而，增加 Sc 浓度会降低结晶度铁电将不再显示。先前的实验表明，能够维持铁电性的Sc浓度上限为44%，因此需要在不降低结晶度的情况下维持铁电性的同时尽可能提高Sc浓度。

AIST 在世界上率先开发出 AlScN（2008 年 11 月 21 日 AIST 新闻稿)和GaScN，它是氮化镓(GaN)和Sc的混合物(2017 年 8 月 31 日 AIST 新闻稿）。最近，人们发现它们表现出铁电特性。铁电体具有一种称为极化的特性，并且由于可以电控制（写入）或测量（读取）这种极化，因此它们被用作非易失性存储器的材料。 2019年，我们与东京工业大学（现东京理科大学）合作开始研究AlScN和GaScN的铁电性，并于2020年在全球首次成功展示了9纳米厚的AlScN薄膜的铁电性，展示了其在器件开发方面的潜力。2020 年 9 月 19 日 AIST 新闻稿）。表 1 显示了 AlScN 和 GaScN 的特性。这些是稳定的晶体，据说即使在高温下也能表现出稳定的性能。此外，极化值在各种铁电材料中名列前茅，HfO₂型的4到5倍。如果残余极化较大，即使面积较小，也能获得足够的存储容量，有利于更高的集成度，并带来更大的存储容量。然而，这种材料的问题在于极化反转所需的电场强度（矫顽电场）较高，导致用于设备时功耗较高。这次，我们致力于降低矫顽电场。

此项研究和开发得到了日本学术振兴会 (JSPS) 科学研究补助金 JP21H01617 (2021-2023) 和 JP 22H01784 (2022-2025) 的支持。

图1是显示铁电材料特性的图表。例如，如图中红色箭头所示，如果改变施加到铁电材料上的电场，则在某一点向下极化变为向上极化。此时的电场称为矫顽电场。如果铁电材料的矫顽电场可以设计得较小，则可以抑制操纵极化所需的电压。换句话说，当该材料用作铁电存储器时，可以降低功耗。此外，当电场减小到零时发生的极化（如橙色箭头所示）称为残余极化。残余极化越高，存储器的集成度就越高。

之前的研究发现，增加Sc浓度对于降低矫顽电场是有效的，特别是GaScN中的Sc浓度比AlScN中更容易增加。然而，我们还发现，随着Sc浓度的增加，GaScN的结晶度降低，在保持结晶度的情况下最大Sc浓度（Sc/Ga+Sc比率）仅为44%。通过使用统计方法优化制造工艺，我们成功地将 Sc 浓度提高到 53%（有史以来的最高浓度），同时保持 GaScN 的结晶度。此外，由于Sc浓度较高，矫顽电场显着降低。如表1和图3所示，最低矫顽电场值约为15 MV/cm，不到传统GaScN（Sc浓度44%）的一半，这是氮化物铁电材料的世界最小值。这个值就是目前作为铁电存储器材料而受到关注的HfO。₂处于同一水平。系统，可以说移动GaScN残余极化所需的电场强度已被充分降低。换句话说，降低使用GaScN的铁电存储器的工作电压的问题得到了解决，并且如表1和图3所示，我们成功地开发了具有高剩余极化和低矫顽电场的铁电材料。

此外，在存储器件中使用铁电材料时，耐用性也是一个重要特性。为了研究耐久性，我们评估了对反复极化反转的抵抗力，新开发的GaScN为10⁸次写入操作。图5显示了每次重复图1和图2所示的极化反转时的残余极化值。即使反复正反颠倒，10⁸次。这是世界上最高的电阻值，大约比传统氮化物铁电体的电阻高100倍。

我们还成功地在低于150℃的温度下成膜。氧化铪₂的铁电存储器的生产通常需要400至600摄氏度或更高的高温，并且有人担心这可能会影响构成该器件的其他材料。由于 GaScN 需要低温制造，因此可以将存储单元放置在靠近算术单元的存储器件中。存储器和处理单元之间通信的功耗是人工智能芯片等中的一个问题，如果可以将它们更紧密地结合在一起，我们可以期望降低功耗。

我们开发了一种新的高Sc浓度的GaScN材料，即铁电存储器材料，并确立了实现低功耗铁电存储器的前景。未来，除了阐明极化反转的机制外，我们还将研究其对衬底和电极界面铁电性的影响，从而建立控制GaScN作为铁电存储器件材料的特性的技术。

此外，隧道结铁电存储器正在考虑中，这是一种功耗最低的存储器，但尚未投入实际使用。 GaScN 具有较大的残余极化和较小的矫顽电场，有望成为此类材料，但它需要做得更薄。我们相信GaScN超薄膜技术在未来将发挥重要作用。

已出版的杂志：APL 材料
论文标题：Sc 优异的压电和铁电性能_x嘎_1−x高 Sc 浓度 N 合金
作者：Masato Uehara、Kenji Hirata、Yoshiko Nakamura、Sri Ayu Anggraini、Kazuki Okamoto、Hiroshi Yamada、Hiroshi Funakubo、Morito Akiyama
DOI：https://doiorg/101063/50236507

非易失性存储器

存储器是保存数字数据的组件或介质，非易失性存储器是即使在不供电的情况下也能保存数据的存储器。除非供电，否则无法保存数字数据的存储器是易失性存储器。非易失性铁电存储器是指采用铁电材料的非易失性存储器。[返回来源]

剩余极化

电场为零时的极化强度。[返回来源]

极化

它被定义为每单位体积的偶极矩（一对正电荷和负电荷）的比率。它表示物体中电荷空间分布的偏差程度。[返回来源]

存储类内存

位于 DRAM（动态随机存取存储器）和 HDD（硬盘驱动器）和 SSD（固态驱动器）之间的设备，DRAM（动态随机存取存储器）用作临时存储程序和数据的“主存储器”，HDD（硬盘驱动器）和 SSD（固态驱动器）用作长期存储的“存储”。具有与DRAM类似的高速读写性能的设备，但具有非易失性，因此即使断电数据也不会丢失。[返回来源]

溅射法

这是一种生产薄膜的方法，可以在相对较低的温度下在真空中形成。当粒子高速撞击物体时，原子会飞出（飞溅）。通过将其沉积在硅等基板上并生长所需的晶体来形成薄膜。[返回来源]

铁电

物质内的极化方向可以通过外部电场反转的性质。具有这种特性的材料称为铁电体。[返回来源]

电场强度

每单位长度的电压。[返回来源]

矫顽电场

铁电现象中极化反转所需的电场。当使用铁电材料作为非易失性存储器时，矫顽电场越小，功耗越低。[返回来源]