Un equipo de investigación dirigido por el profesor Jung Suk Lee del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y el Departamento de Ingeniería de Semiconductores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH) ha aumentado significativamente la capacidad de almacenamiento de datos de los dispositivos de memoria ferroeléctrica. Sus hallazgos, que utilizan un material ferroeléctrico a base de hafnia y una estructura de dispositivo innovadora, se publicaron el 7 de junio en la revista Intl. progreso de la ciencia, Marca avances sustanciales en la tecnología de la memoria.
Con el rápido aumento en la generación y procesamiento de datos debido a los avances en la electrónica y la inteligencia artificial (IA), la importancia de las tecnologías de almacenamiento de datos ha aumentado. La memoria flash NAND, una de las tecnologías más frecuentes para el almacenamiento masivo de datos, puede almacenar más datos en la misma área apilando las celdas en una estructura tridimensional en lugar de una plana. Sin embargo, este enfoque se basa en trampas de carga para almacenar datos, lo que genera voltajes operativos altos y velocidades lentas.
Recientemente, la memoria ferroeléctrica basada en hafnia ha surgido como una tecnología de memoria de próxima generación. Hafnia (óxido de hafnio) permite que las memorias ferroeléctricas funcionen a bajos voltajes y altas velocidades. Sin embargo, un desafío importante para el almacenamiento de datos multinivel ha sido la ventana de memoria limitada.
El equipo del profesor Jang-Sik Lee en POSTECH ha resuelto este problema introduciendo nuevos materiales y una nueva estructura del dispositivo. Mejoraron el rendimiento de los dispositivos de memoria basados en hafnia dopando el material ferroeléctrico con aluminio, creando películas delgadas ferroeléctricas de alto rendimiento. Además, reemplazaron la estructura tradicional de metal-ferroeléctrico-semiconductor (MFS), donde se compone el metal y el material ferroeléctrico que componen el dispositivo, por una innovadora estructura de metal-ferroeléctrico-metal-ferroeléctrico-semiconductor (MFMFS) de fácil configuración.
El equipo controló con éxito el voltaje en cada capa ajustando la capacitancia de las capas ferroeléctricas, incluidos factores de ajuste como el espesor y la relación de área de las capas ferroeléctricas de metal a metal y de metal a canal. Este uso eficiente del voltaje aplicado para cambiar el material ferroeléctrico mejoró el rendimiento del dispositivo y redujo el consumo de energía.
Los dispositivos ferroeléctricos convencionales basados en hafnia suelen tener una ventana de memoria de aproximadamente 2 voltios (V). Por el contrario, el dispositivo del equipo de investigación logró una ventana de memoria superior a 10 V al habilitar la tecnología de celda de cuatro niveles (QLC), que almacena 16 niveles de datos (4 bits) por unidad de transistor. También demostró una alta estabilidad después de más de un millón de ciclos y funcionó a un voltaje de 10 V o menos, significativamente menor que los 18 V necesarios para la memoria flash NAND. Además, el dispositivo de memoria del equipo mostró propiedades estables en términos de retención de datos.
La memoria flash NAND programa sus estados de memoria mediante la programación incremental de pulsos por pasos (ISPP), lo que lleva a tiempos de programación prolongados y circuitos complejos. Por el contrario, el dispositivo del equipo logra una programación rápida mediante programación de un solo disparo controlando la conmutación de polarización ferroeléctrica.
“Hemos sentado las bases tecnológicas para superar las limitaciones de los dispositivos de memoria existentes y proporcionar una nueva dirección de investigación para la memoria ferroeléctrica basada en hafnia”, comentó el profesor de POSTECH Jang-Sik Lee. “A través de investigaciones de seguimiento, pretendemos desarrollar dispositivos de memoria de bajo consumo, alta velocidad y alta densidad que ayuden a resolver problemas de energía en centros de datos y aplicaciones de inteligencia artificial”, añadió.
La investigación se llevó a cabo con el apoyo del Ministerio de Ciencia y TIC (Fundación Nacional de Investigación de Corea) y el Proyecto de Samsung Electronics para el Desarrollo de Tecnología de Semiconductores Inteligentes de Próxima Generación.
