Mémoire ferroélectrique : 10 milliards de cycles d'écriture — Un bond vers le stockage spatial ultra-durable

Le nouveau condensateur ferroélectrique construit en laboratoire pourrait survivre à 10 milliards de cycles de réécriture.

Contrairement aux disques flash existants, les dispositifs de mémoire ferroélectrique pourraient résister à l'exposition aux rayons cosmiques et même fonctionner dans l'espace extra-atmosphérique.

Percée vers de nouveaux types de mémoire non volatile

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

Aujourd'hui, l'industrie électronique poursuit de nouvelles technologies de mémoire non volatile pour atteindre 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. Elle utilise un matériau diélectrique déjà connu de l'industrie microélectronique.

Sous un traitement thermique spécifique et un alliage, certaines couches minces de dioxyde d'hafnium peuvent 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 de mémoire (film d'oxyde de zirconium-hafnium) ressemble à un condensateur électrique ordinaire. Elle fait environ 10 nanomètres d'épaisseur, intercalée entre deux électrodes.

La polarisation rémanente des condensateurs ferroélectriques doit être maximisée pour qu'ils puissent être utilisés comme cellules de 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 vers de nouveaux types de mémoire non volatile

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

Maintenant, 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 aux rayons X durs pour sonder le condensateur mémoire. La technique repose sur le mode d'onde stationnaire du faisceau de rayons X monochromatique intense. Elle mesure le potentiel électrostatique local en examinant les décalages des lignes de niveau de cœur.

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 en balayage avec la modélisation théorique et expliqué le comportement de 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 de dispositifs de mémoire.

Les chercheurs affirment que le condensateur ferroélectrique construit dans leur laboratoire pourrait survivre à 10 milliards de cycles de réécriture, soit près de 100 000 fois plus que ce que la flash d'aujourd'hui peut endurer.

Contrairement aux dispositifs à base de semi-conducteurs, les dispositifs de mémoire ferroélectrique ne sont pas affectés par les radiations externes. Cela signifie qu'ils pourraient résister à l'exposition aux rayons cosmiques et même fonctionner dans l'espace extra-atmosphérique.