Учёные ЮНЦ РАН завершили разработку уникальной технологии

Учёные ЮНЦ РАН завершили разработку уникальной технологии. Она позволяет получать сегнетоэлектрические плёнки высокого структурного совершенства при полном отсутствии переходного слоя между кремнием и сегнетоэлектриком.

Главный научный сотрудник ЮНЦ РАН, доктор физико-математических наук Владимир Мухортов:

«По данным FORBES 2022 года, 90% мировых данных были созданы всего за два предыдущих года. Продолжающийся экспоненциальный рост данных в нашем технологическом обществе опережает возможности даже самых передовых компьютерных систем. Поэтому одна из основных задач, которая стоит перед обществом – разработать технологию, которая в состоянии работать с огромным объемом данных. В настоящее время вычисления на основе полупроводников являются базой такой технологии. Её главный принцип этой технологии заключается в использовании двухбитовой системы (ноль и единицу). Эти значения соответствуют двум стабильным состояниям транзисторов: выключенному и включенному. Следствием этого является то, что 70% активной площади логических элементов занято межсоединениями. Это вызвано сложной маршрутизацией, размещением компонентов цифровой логики, а также механическими, тепловыми и электрическими ограничениями, возникающими из-за увеличения количества подключений. 
Вторая проблема – увеличение тактовой частоты, которая определяется быстрым изменением состояний транзистора и напрямую влияет на производительность компьютера. До недавнего времени тактовая частота удваивалась почти каждый год. В настоящее время тактовая частота не может быть увеличена так быстро, даже при использовании многоядерных процессоров.  
В современных компьютерах данные выполняются и хранятся в двух совершенно разных местах, а именно в ЦП и основной памяти. ЦП должен извлекать данные из памяти перед их обработкой, а затем передавать их обратно в память в конце вычислений. Скорость передачи данных по шине, соединяющей ЦП с памятью, намного ниже, чем у ЦП, что серьезно ограничивает скорость обработки. Поэтому разработка новых принципов реализации компьютерной архитектуры, построенной на новых принципах и материалах является для общества сверхактуальной задачей. Эти новые принципы предусматривают переход к универсальной процессорной среде с интеграцией оперативной и долговременной памяти, реализацией многоуровневости логических состояний. По существу, это формирование абсолютно новой, так называемой нейроморфной компьютерной платформы. Построенной на многозначной логике, который работает с более чем двумя значениями и, таким образом, позволяет кодировать больше информации в «многозначном бите», чем в случае двоичного бита в двузначной логике.
Магистральным направлением альтернативного подхода является сегнетоэлектрический полевой транзистор (FeFET) как принципиально новая среда для вычислительных систем. На основе этой среды можно реализовать устройства, в которых оперативная и долговременная многобитовая память вместе с логикой находятся в одном транзисторе – это технология следующего поколения, которая обеспечивает энергонезависимость памяти, низкое энергопотребление, высокую скорость работы.
В FeFET сегнетоэлектрик находится в прямом контакте с каналом сток-исток транзистора, и поэтому граница раздела полупроводник – сегнетоэлектрик является одной из самых серьезных проблем в его разработке. Это связано с тем, что при осаждении сегнетоэлектриков с требуемым структурным совершенством необходимы высокие температуры, которые приводят к взаимной диффузии составляющих элементов на границе сегнетоэлектрик-полупроводник с образованием переходного слоя, который препятствует созданию устойчивой многоуровневой поляризации.
На решение этой задачи в настоящее время направлены исследования практически в каждом университете и отраслевых лабораториях за рубежом. Исследования в этом направлении проводятся и в ЮНЦ РАН. Для создания гетероструктуры сегнетоэлектрик-полупроводник (кремний) нами впервые в 2023 году завершена разработка уникальной технологии, позволяющая получать сегнетоэлектрические пленки высокого структурного совершенства при полном отсутствии переходного слоя между кремнием и сегнетоэлектриком. Полученные экспериментальные образцы по структурному совершенству и диэлектрическим свойствам значительно превосходят лучшие зарубежные, а научно-исследовательским центрам за рубежом для достижения таких результатов потребуется еще несколько лет.
Создание качественных наноразмерных пленок сегнетоэлектрических материалов на полупроводнике может привести к совместной цифровой и аналоговой обработке информации со значительным улучшением энергопотребления, производительности электронных устройств и привести к новым функциональным возможностям, в частности, созданию синаптических весовых элементов в аппаратном обеспечении нейронных сетей из-за их энергонезависимого многоуровневого эффекта памяти»​.

На фото: сотрудники лаборатории сегнетоэлектрических плёнок ЮНЦ РАН.
Фото предоставлены Владимиром Мухортовым.