Aluminium-Scandium-Nitrid speichert effektiver

Ferroelektrische Materialien, die nur Nanometer dick sind, könnten Gigabytes an Daten speichern - zumindest wenn es nach einem Team unter der Leitung von Kazuki Okamoto und Hiroshi Funakubo von Tokyo Institute of Technology in Kooperation mit der Canon ANELVA Corporation und dem Japan Synchrotron Radiation Research Institute geht. Details sind in den «Applied Physics Letters» nachzulesen.

Einzigartige Anordnung

Diese Materialien verfügen über eine einzigartige Anordnung von Ionen, die zu zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen führen, die ihrerseits 0 und 1 im Binärcode entsprechen und sich digitaler Speicher einsetzten lassen. Diese Zustände sind stabil, das bedeutet, dass sie sich an Daten «erinnern» können und dafür keine Energie benötigen. Zudem können sie durch die Anwendung eines kleinen elektrischen Feldes effizient geschaltet werden.

Manche bekannten ferroelektrischen Materialien wie Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) und SrBi2Ta2O9 bauen jedoch ab und verlieren ihre Polarisation, wenn sie während der Herstellung im Zuge der Wärmebehandlung mit Wasserstoff in Kontakt kommen. Die Japaner haben jetzt aber nachgewiesen, dass ferroelektrische Filme aus Aluminum-Scandium Nitrid (AlScN) stabil bleiben und ihre ferroelektrischen Eigenschaften bis zu einer Temperatur von 600 Grad Celsius behalten.

Ferroelektrische Materialien

Damit ferroelektrische Materialien mit dem Herstellungsprozess unter hohen Temperaturen kompatibel sind, sollte es idealerweise nur zu einer geringen oder gar keiner Degradation ihrer Kristallstruktur und ihrer ferroelektrischen Eigenschaften kommen. Bei zwei entscheidenden Parametern in diesem Bereich handelt es sich um die remanente Polarisation (Pr) und das Koerzitivfeld (Ec). Hier begannen die Wissenschaftler mit ihren Versuchen.

Sie positionierten einen (Al0.8Sc0.2)N Film auf einem Siliziumsubstrat und setzten in der Folge ein Sputtering bei 400 Grad Celsius ein. Die Filme wurden zwischen zwei Elektroden aus Platium (Pt) und Titannitrid platziert. Elektroden spielen eine wichtige Rolle bei der Stabilität eines Materials. Pt fördert die Aufnahme von Wasserstoffgas in den Film. TiN fungiert als Barriere für die Diffusion von Wasserstoff. Daher ist auch die Bewertung seiner Performance mit verschiedenen Materialien für die Herstellung der Elektroden wichtig.

Immense Hitzebeständigkeit

Die Filme wurden einer Atmosphäre bestehend aus Wasserstoff und Argon 30 Minuten lang einer Wärmenachbehandlung unterzogen. Die Temperaturen reichten dabei von 400 bis 600 Grad Celsius bei 800 Torr. Mittels Röntgendiffraktometrie haben die Forscher die Veränderungen der Kristallstruktur im Gros und dem Interface der Filmelektrode untersucht.

Messungen mittels PUND wurden eingesetzt, um Pr und Ec auszuwerten. Die Filme behielten eine stabile dem Wurtzit ähnliche Kristallstruktur. Pr blieb über 120 µC/cm² stabil. Dabei spielten die Elektrode oder die Behandlungsatmosphäre keine Rolle. Dieser Wert ist fünf Mal höher als bei auf HfO2-basierenden Filmen und drei Mal grösser als bei PZT. Auch erhöhte sich Ec nur leicht um rund neun Prozent.