ابتكرت اليابان مكثفات رفيعة للغاية لذاكرة المستقبل

يتقلص حجم الإلكترونيات الحديثة بسرعة، مع زيادة الإنتاجية في نفس الوقت. ومع صغر حجم المكونات، تزداد الحاجة إلى مواد ذاكرة رفيعة للغاية يمكنها تخزين البيانات بكفاءة حتى في المساحة المحدودة.

ألذاكرة الفيروكهربائية الواعدة اليوم، FeRAM، تسجل المعلومات باستخدام الاستقطاب الكهربائي القابل للتحويل، مما يجعلها غير متطايرة. لكن تصغيرها أمر صعب، لأنه يؤدي إلى فقدان خصائص متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف.

في معهد طوكيو للعلوم (Science Tokyo) نجحت في تقليل السُمك الإجمالي لمكثف الذاكرة الكهروضوئية المعتمد على أغشية رقيقة من نيتريد الألومنيوم المغطى بالسكانديوم. وكان سمك الهيكل الإجمالي 30 نانومتر فقط، بما في ذلك الأقطاب الكهربائية. ونشرت الدراسة في المجلة مواد الكترونية متقدمة.

تحتوي الذاكرة الكهروضوئية على بنية بسيطة متعددة الطبقات: كهروضوئية بين قطبين معدنيين.

يوضح البروفيسور هيروشي فوناكوبو، من قسم علوم وهندسة المواد في جامعة ساينس طوكيو، والذي قاد البحث: “لقد ركزت الأبحاث السابقة حول تقليل سمك الذاكرة الكهروضوئية فقط على ترقق الطبقات الكهروضوئية نفسها. ويختلف عملنا من حيث أننا ركزنا على قياس الهيكل بأكمله، وليس فقط الفيلم الكهروضوئي”.

طور العلماء هيكل مكثف ثلاثي الطبقات يتكون من فيلم (Al₀,₉Sc₀,₁)N كطبقة متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف محصورة بين أقطاب البلاتين. من خلال الموازنة الدقيقة لسمك الطبقة مع الخصائص الوظيفية، نجح الفريق في إنشاء هيكل مكثف محسّن بسمك إجمالي يبلغ 30 نانومتر فقط، بما في ذلك: قطب سفلي 5 نانومتر، وكهروضوئي 20 نانومتر، وقطب كهربائي علوي 5 نانومتر.

يرجع الأداء المثير للإعجاب إلى الخواص الكهروضوئية الجوهرية لـ (Al،Sc)N، والتي ترتبط باستقطابها العالي المتبقي. يكون المكثف الناتج جاهزًا للاستخدام في الجهاز ومناسبًا للتكامل المباشر في دوائر أشباه الموصلات والأنظمة المنطقية، كما أن تقنية التصنيع الخاصة به متوافقة مع عمليات CMOS القياسية.

يقول فوناكوبو: “أظهرت النتائج أنه يمكن الحفاظ على الخصائص الكهروضوئية العالية حتى مع الانخفاض الجذري في السُمك الإجمالي لبنية المكثف. وهذا يقربنا خطوة واحدة من التنفيذ العملي لأجهزة الذاكرة فائقة الرقة”.

أظهرت التجارب أن تلدين القطب البلاتيني السفلي عند 840 درجة مئوية يحسن اتجاهه البلوري ويعزز تبديل الاستقطاب في الأفلام الرقيقة. وهذا يسلط الضوء على أهمية هذه الخطوة للحفاظ على خصائص متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف مع تقليل السُمك بشكل كبير.

بشكل عام، يضع هذا البحث أساسًا قويًا للذاكرة الكهروضوئية المدمجة وقد يشجع على تقليل سمك البنى الكهروضوئية الأخرى مثل FeRAM وتقاطع النفق الكهروضوئي FTJ، والتي تعتمد بشكل حاسم على التبديل المستقر وحصر الاستقطاب. في المستقبل، هناك خطط لاستكشاف مواد إلكترودات بديلة ذات توجهات بلورية أكثر ملاءمة لتقليل درجات حرارة المعالجة. يمكن أن تؤدي مثل هذه التحسينات إلى تسريع عملية تطوير الذاكرة المدمجة لأجهزة إنترنت الأشياء، مما يؤدي إلى إلكترونيات أصغر حجمًا وأسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة.