Tiny oxygen gaps may determine whether next-generation memory films store data well
Araştırmacılar, bir sonraki nesil bellek malzemesinin performansını belirleyen “doğuş anını” gerçek zamanlı olarak yakaladı. Anahtar nokta, normalde oksijen atomlarının bulunduğu yerlerde eksik olan atomik kusurlar olan mikroskobik boşluklar olan oksijen boşluklarını kontrol etmektir.
Seul Ulusal Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’nden Profesör Min Hyuk Park, Sungkyunkwan Üniversitesi’nden Profesör Yunseok Kim, Chonnam Ulusal Üniversitesi’nden Profesör Younghwan Lee ve Pohang Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndan Dr. Tae-Yeol Jeon ile birlikte çalışan bir araştırma ekibi, hafniyum-zirkonyum (HZO) malzemesinin ısı işlemi sırasında bilgi depolayabilen ferroelektrik fazının nasıl oluştuğunu gerçek zamanlı olarak takip etti. Araştırmacılar, oksijen boşluğu konsantrasyonunun hem kristalleşme sıcaklığını hem de son kristal fazını değiştirdiğini ve bunun bellek depolama performansında önemli farklılıklara yol açtığını buldu.
Çalışma, “Advanced Functional Materials” dergisinde yayınlandı.
Ferroelektrikler, güç kapatıldığında bile elektrik durumunu koruyabilen malzemelerdir. Bu özellikleri sayesinde, bilgiyi güç olmadan saklayabilen ve düşük güçlü yarı iletken cihazlar için önemli adaylardır. Özellikle hafniyum bazlı ferroelektrikler, geleneksel silikon yarı iletken üretim süreçleriyle yüksek uyumluluk gösterir ve sadece birkaç nanometre kalınlığında bile ferroelektrik özellikler sergileyebilir. Bu özellikleri nedeniyle, bir sonraki nesil yüksek yoğunluklu belleklerin geliştirilmesi için aktif olarak araştırılmaktadır.
Ancak HZO başlangıçta ferroelektrik özelliklere sahip değildir. Ferroelektrik özelliğe sahip olan orho-rombik fazın asimetrik atomik düzenlemeye sahip olması ve en kararlı kristal fazı olmamasına rağmen, belirli işleme koşulları altında korunabilen metastabil bir yapıya sahip olması önemlidir.
Araştırmacılar, sadece ısı işlemi sonrası elde edilen son yapıyı incelemek yerine, başlangıçta amorf bir ince filmden kristallerin nasıl ortaya çıktığını ve ferroelektrik faz dahil olmak üzere farklı kristal fazların nasıl seçildiğini araştırdı. Bu tür değişikliklerin, ısıtma öncesi ve sonrası yapılan geleneksel analizlerle doğru bir şekilde ayırt edilmesi zordur.
Araştırmacılar, başlangıçta amorf olan filmlerin ısıtıldığında kristallere dönüştüğü ve soğutulduğunda son yapılarına dönüştüğü tüm süreci izlemek için senkrotron radyasyonunu kullandı. Sıcaklığa bağlı olarak değişen kristal mesafelerini, kalan gerilimi, tane boyutunu, büyüme yönünü ve farklı kristal fazların oranlarını ayrı ayrı analiz ettiler.
Bu sayede, oksijen boşluğu konsantrasyonunun tüm süreci nasıl etkilediğini, yani başlangıçtan kristalleşmeye, tane büyümesine ve son olarak elektrik özelliklerine kadar her aşamayı net bir şekilde ortaya koydular.
Analizler, daha yüksek oksijen boşluğu konsantrasyonlarının HZO’nin kristalleşmesini geciktirdiğini gösterdi. Daha fazla oksijen boşluğuna sahip filmlerde, atomik yapının yeniden düzenlenmesi ve ilk kristal çekirdeklerin oluşumu engellendiği için, kristalleşme sadece daha yüksek sıcaklıklarda başladı. Kristalleşme başladığında bile, yanal tane büyümesi baskılanırken, elektrik kutuplanması oluşturmayan tetragonal faz nispeten daha uzun süre varlığını sürdürdü.
Farklılıklar niceliksel olarak da belirgindi. Daha az oksijen boşluğuna sahip filmler 30°C daha düşük bir sıcaklıkta kristalleşmeye başlarken, aynı 400°C sıcaklığında, bellek depolama sinyalini temsil eden ve ikili durumlar (0 ve 1) arasında ayrım yapmayı sağlayan kutuplanma yaklaşık 11 kat daha yüksekti.
Çalışmanın önemi, oksijen boşluklarını sadece ortadan kaldırılması gereken kusurlar olarak değil, aynı zamanda HZO ince filmlerinde ferroelektrik faz oluşumunun başlangıcını ve yolunu kontrol eden önemli bir değişken olarak tanımlamasıdır. Senkrotron analizi ile yapısal değişikliklerin gerçek zamanlı olarak izlenebilmesi, son elektrik özelliklerinin nasıl belirlendiğini daha net bir şekilde açıklamayı sağlamıştır.
Araştırmacılar, bu çalışmanın bulgularının, yüksek yoğunluklu, düşük güçlü bellek teknolojilerinin geliştirilmesine katkıda bulunacağını ve akıllı telefonlar, otomobiller ve Nesnelerin İnterneti sistemleri gibi cihazlarda bilginin güvenilir bir şekilde saklanmasını sağlayabileceğini belirtmektedir.
Profesör Park, “Bu çalışmanın önemi, oksijen boşluklarını sadece ortadan kaldırılması gereken kusurlar olarak değil, aynı zamanda HZO ince filmlerinde ferroelektrik faz oluşumunun başlangıcını ve yolunu kontrol eden önemli bir değişken olarak tanımlamasıdır. Senkrotron analizi ile yapısal değişikliklerin gerçek zamanlı olarak izlenebilmesi, son elektrik özelliklerinin nasıl belirlendiğini daha net bir şekilde açıklamayı sağlamıştır” dedi.
Profesör Park ayrıca, “Bu çalışmada elde edilen bulguların, yüksek performanslı, düşük güçlü bellek teknolojilerinin geliştirilmesine katkıda bulunacağını ve akıllı telefonlar, otomobiller ve Nesnelerin İnterneti sistemleri gibi cihazlarda bilginin güvenilir bir şekilde saklanmasını sağlayabileceğini” ekledi.
Çalışmanın ortak yazarı olan Seul Ulusal Üniversitesi’nde entegre yüksek lisans/doktora öğrencisi Hyun Woo Jeong, hafniyum oksit bazlı ferroelektriklerde oksijen boşluğu ve gerilimi kontrol etmeyi, ayrıca senkrotron tabanlı gerçek zamanlı yapısal analizi incelemektedir. Jeong, yarı iletken işleme ve bellek cihazı araştırmaları ve geliştirme alanlarında bir sonraki nesil bellek teknolojilerini geliştirmeye devam etmeyi planlamaktadır.
Çalışmanın ortak yazarı olan Seul Ulusal Üniversitesi’nde entegre yüksek lisans/doktora öğrencisi Jaewook Lee, hafniyum oksit bazlı ferroelektriklerde düşük sıcaklıkta kristalleşme süreçlerini ve yeni elektrot malzemelerini incelemektedir. Lee, yarı iletken işleme ve bellek cihazları alanlarında yüksek performanslı, düşük güçlü bir sonraki nesil bellek teknolojilerini geliştirmeye devam etmeyi planlamaktadır.
Çalışma, “Advanced Functional Materials” dergisinde yayınlanmıştır.
Kaynak: Phys.org
