La nouvelle mémoire non volatile pourrait supporter 10 milliards de cycles de réécriture

• Le nouveau condensateur ferroélectrique construit en laboratoire pourrait survivre à 10 milliards de cycles de réécriture.
• Contrairement aux clés USB existantes, les mémoires ferroélectriques peuvent résister à l'exposition aux rayons cosmiques et même fonctionner dans l'espace.

Le concept de dispositifs de mémoire non volatile utilisant des feuilles minces ferroélectriques avec une polarisation spontanée commutable électriquement a un potentiel énorme en raison d'une très faible consommation d'énergie, d'une vitesse d'écriture élevée et d'une endurance théoriquement illimitée.

Aujourd'hui, l'industrie électronique recherche de nouvelles technologies de mémoire non volatile pour obtenir des durées de vie plus longues et des vitesses d'accès plus rapides que les disques SSD et flash existants. L'un des candidats prometteurs est la mémoire à base de dioxyde d'hafnium. Il utilise un matériau diélectrique déjà connu de l'industrie microélectronique.

Sous un traitement thermique spécifique et un alliage, une fine couche de dioxyde d'hafnium peut former des cristaux métastables qui présentent des propriétés ferroélectriques. Cela signifie que ces cristaux peuvent « mémoriser » la direction du champ électrique qui leur est appliqué.

La structure de cette nouvelle cellule mémoire (film d'oxyde de zirconium-hafnium) ressemble à un condensateur électrique ordinaire. Il fait environ 10 nm d'épaisseur, interposé entre deux électrodes.

La polarisation résiduelle des condensateurs ferroélectriques doit être maximisée afin qu'ils puissent être utilisés comme cellules mémoire. Cependant, pour s'en assurer, les chercheurs doivent comprendre en profondeur les processus qui se produisent dans le film mince. Cela implique de mesurer le potentiel électrique distribué à travers le nanofilm.

Percée sur la voie de nouveaux types de mémoire non volatile

Bien que la phase ferroélectrique de l'oxyde d'hafnium ait été découverte il y a dix ans, les scientifiques n'ont pas encore pu mesurer directement sa distribution potentielle à l'échelle nanométrique.

Aujourd'hui, des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou ont mis au point une technique unique pour déterminer la distribution du potentiel électrique à travers un condensateur ferroélectrique.

Référence :Nanoscale | DOI :10.1039/C9NR05904K | MIPT

Ils ont utilisé la spectroscopie de photoémission à rayons X durs pour sonder le condensateur mémoire. La technique repose sur le mode d'onde stationnaire du puissant faisceau de rayons X monochromatique. Il mesure le potentiel électrostatique local en examinant les décalages de ligne au niveau du noyau.

Les résultats montrent que le profil de potentiel électrique à travers la couche d'oxyde de zirconium-hafnium est non linéaire et change avec la commutation de polarisation.

Un SSD conventionnel 

Les chercheurs ont combiné les données de la microscopie électronique à transmission à balayage avec la modélisation théorique et ont expliqué le comportement potentiel non linéaire observé en termes de défauts dans l'oxyde de zirconium-hafnium, aux deux interfaces, et leur état de charge modulé par la polarisation ferroélectrique.

En résumé, l'étude jette un nouvel éclairage sur les propriétés électroniques intrinsèques des condensateurs ferroélectriques à base d'oxyde d'hafnium et pourquoi ils sont importants pour l'ingénierie des dispositifs de mémoire.

Les chercheurs ont affirmé que le condensateur ferroélectrique construit dans leur laboratoire pouvait survivre à 10 milliards de cycles de réécriture, près de 100 000 fois plus que ce que le flash actuel peut supporter.

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Contrairement aux dispositifs à base de semi-conducteurs, les dispositifs de mémoire ferroélectriques ne sont pas affectés par le rayonnement externe. Cela signifie qu'ils pourraient résister à l'exposition aux rayons cosmiques et même fonctionner dans l'espace.