L’équipe vise à améliorer la capacité de stockage des dispositifs de mémoire et des puces informatiques neuromorphiques ferroélectriques qui consomment moins d’énergie et fonctionnent plus rapidement. Crédit : © 2023 KAUST ; Fei Xue.
Des chercheurs dirigés par KAUST ont découvert une méthode médiée par les protons qui induit des transitions de phase multiples dans les matériaux ferroélectriques, ce qui pourrait faciliter le développement de dispositifs de mémoire à haute performance et à faible consommation d’énergie, ainsi que de puces informatiques neuromorphiques.
Selon une équipe internationale de chercheurs dirigée par KAUST, une approche médiée par des protons qui induit des transitions de phase multiples dans les matériaux ferroélectriques pourrait ouvrir la voie à la création de dispositifs de mémoire à haute performance, y compris des puces informatiques neuromorphiques inspirées par le cerveau.
Les matériaux ferroélectriques comme le séléniure d’indium sont intrinsèquement polarisés et peuvent changer de polarité lorsqu’ils sont soumis à un champ électrique. Cette caractéristique en fait une option intéressante pour le développement de la technologie de la mémoire. Les dispositifs de mémoire qui en résultent présentent une endurance et des vitesses de lecture/écriture supérieures tout en fonctionnant à basse tension. Toutefois, ils sont limités par leur capacité de stockage restreinte.
La limitation de la capacité provient du fait que les techniques actuelles ne peuvent induire que quelques phases ferroélectriques, et l’enregistrement de ces phases pose des défis expérimentaux importants, explique Xin He, codirecteur de l’étude. Il a mené cette recherche sous la direction de Fei Xue et Xixiang Zhang.
La puce informatique neuromorphique ferroélectrique de l’équipe, ici testée en laboratoire. Crédit : © 2023 KAUST ; Fei Xue.
Sommaire
Une nouvelle méthode pour les matériaux ferroélectriques
L’approche novatrice de l’équipe repose sur la protonation du séléniure d’indium pour générer une multitude de phases ferroélectriques. Les chercheurs ont incorporé le matériau ferroélectrique dans un transistor constitué d’une hétérostructure empilée soutenue par du silicium afin de l’évaluer.
Ils ont déposé un film de séléniure d’indium sur l’hétérostructure, qui consistait en une feuille isolante d’oxyde d’aluminium nichée entre une couche de platine en bas et de la silice poreuse en haut. La couche de platine servait d’électrodes pour la tension appliquée, tandis que la silice poreuse servait d’électrolyte, fournissant des protons au film ferroélectrique.
La protonation et ses effets
Les chercheurs ont progressivement injecté ou retiré des protons du film ferroélectrique en modifiant la tension appliquée. Cela a permis de produire de manière réversible plusieurs phases ferroélectriques avec différents degrés de protonation, ce qui est crucial pour la mise en œuvre de dispositifs de mémoire multiniveaux dotés d’une capacité de stockage substantielle.
Des tensions positives plus élevées augmentent la protonation, tandis que des tensions négatives plus élevées réduisent de manière significative les niveaux de protonation.
Les niveaux de protonation varient également en fonction de la proximité de la couche de film avec la silice. Ils ont atteint des valeurs maximales dans la couche inférieure, qui était en contact avec la silice, et ont diminué par étapes pour atteindre des quantités minimales dans la couche supérieure.
De manière inattendue, les phases ferroélectriques induites par les protons sont revenues à leur état initial lorsque la tension a été coupée. « Nous avons observé ce phénomène inhabituel parce que les protons se sont diffusés hors du matériau et dans la silice », explique Xue.
Progrès dans les dispositifs de mémoire à faible consommation d’énergie
En créant un film doté d’une interface lisse et continue avec la silice, l’équipe a obtenu un dispositif à haute efficacité d’injection de protons fonctionnant sous 0,4 volt. Il s’agit là d’un facteur essentiel pour le développement de dispositifs de mémoire à faible consommation d’énergie.
Xue reconnaît que la réduction de la tension de fonctionnement a été un défi important, mais il explique que l’efficacité de l’injection de protons sur l’interface contrôle les tensions de fonctionnement et peut être ajustée en conséquence.
« Notre plus grand défi était de réduire la tension de fonctionnement, mais nous avons réalisé que l’efficacité de l’injection de protons sur l’interface régissait les tensions de fonctionnement et pouvait être réglée en conséquence », explique M. Xue.
« Nous nous sommes engagés à développer des puces informatiques neuromorphiques ferroélectriques qui consomment moins d’énergie et fonctionnent plus rapidement », ajoute M. Xue.
Référence : « Proton-mediated reversible switching of metastable ferroelectric phases with low operation voltages » par Xin He, Yinchang Ma, Chenhui Zhang, Aiping Fu, Weijin Hu, Yang Xu, Bin Yu, Kai Liu, Hua Wang, Xixiang Zhang et Fei Xue, 24 mai 2023, Science Advances.
DOI : 10.1126/sciadv.adg4561