УДК 538.955
ПРИМЕНЕНИЕ BiFeO3 И Bi4Ti3O12 В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПАМЯТИ, ФАЗОВРАЩАТЕЛЯХ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
И СВЧ-ТРАНЗИСТОРАХ HEMT © 2013 г. А. Н. Калинкин, Е. М. Кожбахтеев, А. Е. Поляков, В. М. Скориков
Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, Москва e-mail: lpcao@igic.ras.ru Поступила в редакцию 16.04.2013 г.
Рассмотрены основные применения феррита и титаната висмута. Показана перспектива их использования в спинтронике и радиоэлектронике.
DOI: 10.7868/S0002337X13100035
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время развитию новой электронной компонентной базы в радиоэлектронике и радиолокации уделяется особое внимание. Об этом свидетельствуют как правительственные документы [1], так и создание новых институтов по этой тематике, в частности ИСВЧ ПЭ РАН.
Наряду с разработкой силовых транзисторов на арсенидах и нитридах, ведется интенсивная работа по созданию более эффективных гетеро-структур с использованием сегнетоэлектриков. На основе существующей технологии создания СБИС (сверх больших интегральных схем) разрабатываются различные варианты радиационно-стойкой энергонезависимой сегнетоэлектриче-ской памяти [2].
Как известно, энерговыделение полупроводникового полевого транзистора в ячейке памяти типа DRAM (Dynamic Random Access Memory) определяется подпороговым фактором с теоретическим нижним пределом 60 мВ/дек для Si (т.е. при изменении напряжения на затворе на 60 мВ ток в канале транзистора изменяется в 10 раз), связанным с термоионным характером инжекции носителей в область n—р-перехода. При росте рабочих частот до нескольких десятков ГГц и числа транзисторов до нескольких миллиардов возникает серьезная проблема теплоотвода. Кроме того, при масштабировании кремниевого CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)-про-цесса до современного уровня ~22 нм появляются трудноразрешимые проблемы с токами утечки, квантовыми туннельными эффектами и требуемыми большими значениями диэлектрической проницаемости (для подзатворного диэлектрика) и аспектного отношения (SD-структуры) [2, 3].
В последних обзорах по этой тематике [4—8] проведен подробный сравнительный анализ тра-
диционной CMOS-полупроводниковой технологии и альтернативных направлений: "дорожная карта" CMOS-технологии (по состоянию на 2011 г.) на ближайшие годы [4], перспективы развития сегнетоэлектриков и мультиферроиков [5—7]. В [8] описаны доменные стенки в магнетиках и се-гнетоэлектриках [8], при этом особое внимание уделено развитию различных видов сегнетоэлек-трической памяти.
В сегнетоэлектрической ячейке памяти FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory) потери на тепло резко уменьшаются [9, 10]. Так, если в полупроводниковой памяти на кремнии DRAM величина потребляемого тока доходит до 1000 мкА при необходимости его постоянного поддержания, то для FeRAM он составляет всего 5 мкА [11] при энергонезависимости памяти. Важное применение сегнетоэлектрики находят также в радиолокационных технологиях (фазированных антенных решетках) [12] и СВЧ-транзисторах (HEMT — High Electron Mobility Transistor).
ВИДЫ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПАМЯТИ
Cегнетоэлектрическая память FeRAM. В настоящее время интенсивно разрабатывается энергонезависимая сегнетоэлектрическая память следующего поколения: FeRAM. Ячейка памяти, как правило, выполняется в конструктиве (1T—1C) (с регенерацией состояния) и содержит обычный кремниевый полевой транзистор и сегнетоэлектри-ческий конденсатор, выполненные по полупроводниковой CMOS-технологии на основе таких сегнетоэлектриков, как PbZr1-xTixO3, Bi2SrTa2O9, Bi4Ti3O12, BiFeO3, BaTiO3 и др. [2].
В 2009 г. появились первые образцы Chain-FeRAM-памяти емкостью 128 Мб производства фирмы Toshiba [13]. Скорость записи/считывания этой памяти достигает 1.6 Гб/с, что сравнимо
Таблица 1. Основные параметры ячеек FeRAM [32]*
Update: Feb'04 Texas Inst Agilent Ramtron Fujitsu Matsushita Toshiba Infineon Sarnsung Oki Sony Hynix
Technology generation 0.13 pm 0.18 цш 0.18 цш 0.20 цш 0.25 цш 0.25 цш 0.25 цш
Demonstrator density 64 Mbit 4 Mbit 1 Mbit 32 Mbit 32 Mbit 4 Mbit 16 Mbit
Operation Voltage 1.3 V 1.8 V 1.1 V 2.5-3 V 2.7-3.3 V 2.5 V 3 V
Acces time 30 ns 30 ns 15 ns 50 ns 55 ns 55 ns 70 ns
Material PZT PZT SBTN PZT PZT SBT BLT
Cell size (1T1C) 0.54 pm2 1.3 цш2 1.1 цш2 1.875 цш2 0.9384 цш2 2.6 цш2 l.5 цш2
32 F2 40 F2 34 F2 47 F2 15 F2 42 F2 24 F2
Source VL- SI'03/IEDM'02 IEDM'02/I SIF'03 VLSI'03 (ISIF'03) ISS- CC'03/MRS'0 2 VLSI Tech'02/'03 IEDM'02 ISIF'03/IED M'03
Примечание. PZT — PbZrj _xTixO3, SBTN — SrBi2Ta2_xNbx O9, SBT — SrBi2Ta2O9, BLT — Bi4_xLaxTi3O12; demonstration density — емкость чипа памяти в Мб, acces time— время доступа, т.е. считывания, в нс. * Табл. 1 из [32] приведена без редактирования.
с показателями обычной полупроводниковой DRAM-памяти. Фирма Fujitsu в 2007 г. анонсировала FeRAM на основе BiFeO3 емкостью 256 Мб [14].
Отметим, что первые работы по созданию FeRAM выполнены в СССР в 60-х годах прошлого века [15, 16] на основе PbZr1- XTXO3. Затем впервые в мире были синтезированы монокристаллы слоистого титаната висмута Bi4Ti3O12 и измерены его сегнетоэлектрические свойства [17]. В настоящее время титанат висмута из-за его высокой поляризации (Ps ~ 50 мкКл/см2), наряду с PbZr1-xTxO3 и BiFeO3, является одним из самых перспективных материалов для применения в памяти FeRAM [2, 18]. Легирование РЗЭ, в частности лантаном или неодимом, уменьшает токи утечки и препятствует деградации свойств Bi4Ti3O12. Так, легирование La, уменьшая усталость Bi4Ti3O12, в то же время, согласно [19], значительно снижает поляризацию до Ps = 12 мкКл/см2. Однако, по данным [20], снижение поляризации не очень значительно и сохраняется ее высокое значение Ps = 33 мкКл/см2. Напомним, что у Bi4Ti3O12 величина запрещенной зоны Eg = 3.57 эВ (для кристалла).
Недавно были предложены новые низкотемпературные методы синтеза Bi4Ti3O12 (<400°C) c помощью осаждения из жидкости в сверхкритическом режиме (SCFD) [21] при высоком аспект-ном отношении, что важно для интеграции с кремнием в CMOS-технологии. В дальнейшем методом синтеза из расплава были получены монокристаллы мультиферроика феррита висмута BiFeO3 [22]. В 2003 г. в пленках BiFeO3 была обнаружена гигантская поляризация Ps ~ 150 мкКл/см2 [23], и этот материал стал интенсивно изучаться с
целью его применения в спинтронике, фотонике и др. [24, 25].
Отметим недавний обзор по методам синтеза BiFeO3 и работы по его твердофазному синтезу с механохимической активацией и измерением магнитных свойств [26—28]. В последнее время был получен твердый раствор PbZr1- xTxO3 и BiFeO3 с высокой поляризацией и малыми токами утечки для применения в FeRAM [29]. Были также выращены однодоменные пленки BiFeO3 на 4-градусных плоскостях скольжения кремниевой подложки с высокими диэлектрическими характеристиками [30]. Однако современный техпроцесс с 22 нм уже опережает возможности масштабирования сегнетоэлектрических конденсаторов в ячейке памяти. Минимальная величина определяемого поляризационного заряда в конденсаторе составляет ~20—30 фКл (фемтокулон) на площади ~104 нм2 (для PbZr1- xTxO3), что является физическим пределом, связанным с дискретностью распределения заряда в кристаллической решетке сегнетоэлектрика [31]. Это ограничивает объем практически доступной планарной памяти величиной 128 Мб в случае PbZr1- xT xO3 [13] и 256 Мб в случае BiFeO3 (некоммерческий образец фирмы Fujitsu) [14].
В [32] (см. табл. 1) приведены (по состоянию на 2004 г.) основные характеристики FeRAM различных производителей.
Сегнеторезистивная память FeRRAM. Существует, однако, другая концепция — сегнеторези-стивная память FeRRAM (Ferroelectric Resistive Random Access Memoty) [31], позволяющая одновременно обеспечивать необходимую масштабируемость под современный CMOS-техпроцесс (до терабитных размеров) и сохранять все досто-
Л1
< 5 В
< 100 нс
Сегнетоэлектрик
Металл
Рис. 1. Сегнеторезистивная ячейка.
инства сегнетоэлектрической памяти: энергонезависимость, малое энергопотребление, отсутствие необходимости в регенерации, быстрое переключение поляризации за несколько десятков наносекунд. Наилучшие результаты по РеЯКАМ были достигнуты при использовании пленок BiFe03 [33]. В Китае и США получены патенты на сегнеторезистивную память на основе BiFe03 [34].
Принцип работы резистивной памяти заключается в значительном изменении сопротивления (на несколько порядков) после прохождения через переход металл/диэлектрик (сегнетоэлектрик) импульса тока или напряжения в несколько вольт и длительностью сотни наносекунд [35—37] (рис. 1). Большое и малое сопротивление такого гетероперехода металл/сегнетоэлектрик соответствуют двум битовым (0 и 1 или наоборот) состояниям ячейки памяти. Для сегнеторезистивной памяти такие состояния связаны с изменением высоты барьера Шоттки при переключении доменной поляризации и, соответственно, с изменением проводимости [38].
После пионерской работы [39], где были обнаружены состояния с высокой и низкой проводи-
мостью при переключении поляризации в сегне-тоэлектрике PbZr1- ХТ1Х03, аналогичный эффект был получен на монокристаллах и пленках муль-тиферроика BiFe03 [33, 40, 41]. BiFe03 обладает рекордной поляризацией в пленках, высокими температурами Нееля и Кюри (Тм = 643 К, Тс = = 1103 К). В последнее время спектр применений перспективного мультиферроика BiFe03 постоянно расширяется. Для пленок PbZr1- ХТ1Х03 отношение максимального и минимального токов (при противоположных направлениях поляризации) составляет ~2 порядка (как и для BiFe03), а
плотность диодного тока--20 мА/см2. Для BiFe03
величина переключаемого заряда и плотности тока через п—р-переход (~5.4 А/см2 ) оказались в тысячи раз больше [33]. Это связано с большей величиной поляризации в BiFe03 по сравнению с PbZr1- ХТХ03, а также с тем, что BiFe03 является сравнительно узкозонным полупроводником (Р, = 150 мкКл/см2, Е = 2.7 эВ для пленок BiFe03, Р, = 30 мкКл/см2, Е = 3.4 эВ для пленок PbZr1 _ ХТХ03). Для BiFe03 также получена диодная вольт-амперная характеристика (ВАХ) с переключаемой полярностью [33, 41]. На рис. 2а
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.