Внимание исследователей привлекает разработка новых видов энергонезависимой памяти для применения в устройствах микро-, нано- и оптоэлектроники. Учёные МИЭТа работают над созданием собственных опытных образцов. В частности, они занимаются разработкой фазовой памяти. Подробности мы узнали у участницы этих исследований Светланы Немцевой (ИТС-46).

Фото: Никита Козлов

– Что такое фазовая память?

– Это абсолютно новая технология. Поскольку компьютеры постоянно совершенствуются, флеш- и оперативная память уже не так эффективны. Фазовая память (Phase Change Memory) – это уникальная память, основанная на фазовом переходе халькогенидного полупроводникового соединения Ge2Sb2Te5 (GST225). У него два состояния: аморфное и кристаллическое. Первое имеет низкую проводимость (высокоомное), второе – высокую (низкоомное). Помимо GST225 ещё используют соединения GeSb2Te4 (GST124) и GeSb4Te7 (GST147), но в меньшей степени, потому что они могут совершать фазовый переход спонтанно и даже при комнатной температуре. Эта разработка – основной претендент на звание «память нового поколения». Учёные нашего университета – одни из немногих, кто занимается передовыми исследованиями в этой области. Разработки также ведут Intel и Samsung. Они даже публикуют результаты своих исследований, но до серийного производства ещё далеко.

– Каков принцип работы устройств фазовой памяти?

– Он основан на обратимом фазовом переходе аморфное<–>кристаллическое состояние. Фазовая память – это массив ячеек, который формирует значение параметров «ноль» и «единица». Аморфное состояние аналогично нулю в двоичной системе счисления, а кристаллическое – единице. Каждая ячейка отделена от других кремниевой оболочкой.

Принцип записи и стирание данных в устройствах такой памяти основан на резком изменении оптических и электрических свойств материала при фазовом переходе. Оно, в свою очередь, происходит в результате нагрева вещества до определённой температуры с помощью лазерного излучения или тока. Когда мы подаём его в систему, аморфная область разогревается до 140-150 градусов. При определённом напряжении происходит резкий скачок, во время которого молекулы вещества перестраиваются. По мере увеличения тока структура становится кристаллической.  Чтобы переключить ячейку обратно в аморфную фазу, нужно разогреть область до 650 градусов и во время плавления резко её охладить. 

– Каковы преимущества и недостатки нового вида памяти?

– Основная проблема – это отвод тепла: при таких высоких температурах массив ячеек может сплавиться, и вся информация пропадёт.

Из достоинств – высокая скорость записи (меньше 100 наносекунд) и большое количество циклов перезаписи (около 10 миллионов). Мы предполагаем, что фазовая память очень долговечна – должна служить более 20 лет. Главными преимуществами являются стойкость к радиации, что позволит работать, например, в космосе, и отсутствие ограничения в уменьшении размеров ячеек. Ещё один плюс в том, что при изготовлении мы используем обычные процессы микроэлектроники: фотолитографию, напыление, химическое травление. 

– В чём заключается твоя работа? 

– Я занимаюсь химическим травлением тонких плёнок GST225. Подбираю травители (кислоты, щёлочи и другие химические реагенты) и смотрю, как они влияют на морфологию самого материала. Также я изучаю влияние растворов для удаления фоторезиста. Это специальная плёнка, которая применяется в процессе фотолитографии для получения определённого рисунка на поверхности материала. Моя задача так подобрать «сниматель», чтобы он не взаимодействовал с материалом, а был абсолютно инертен ко всему, кроме фоторезиста. Мы выяснили, что диметилформамид (ДМФА) хорошо подходит для этой роли, в отличие от гидроксидов калия КОН и натрия NaOH, которые быстро стравливают пластинку. После применения этих щелочей происходит растрескивание структуры и уничтожение ячеек. Некоторые соединения сразу разрывают плёнку, другие постепенно расслаивают структуру. Помимо этого мы изучаем зависимость скорости и времени травления от концентрации и температуры того или иного вещества. Прошлой весной проводили огромное количество опытов. Я целыми днями пропадала в лаборатории, где даже приходилось готовиться к сессии.

Единичная ячейка (a) и массив ячеек (b)

– Почему ты решила пойти в науку?

– Я  всегда хотела заниматься чем-то инновационным и интересным. Мой научный руководитель предложила поработать над проектом и дала для изучения три статьи на английском языке. Я стала это переводить, искать, что такое означает фазовая память. Когда узнала, была очень удивлена, у меня «загорелись» глаза. Начала работать на энтузиазме, желая узнать, во что всё потом выльется. Уже сейчас ясно, что эта разработка станет научным прорывом. Она заменит все существующие виды памяти благодаря своей универсальности.

– На каких научных конференциях ты выступала?

–  В октябре была в Рязани, недавно ездила в РХТУ имени Менделеева. Также хочу поучаствовать в проекте «Science Slam». Это необычный способ популяризации науки, где молодые учёные представляют свои исследования в виде десятиминутного стендапа на сцене молодёжных клубов в максимально доступной и интересной форме. В феврале предстоит ехать в Тель-Авив, Израиль. Для каждой конференции нужно проводить новые исследования. Из последнего я узнала, что при добавлении перекиси водорода некоторые травители резко меняют свои свойства. Например, серная кислота абсолютно инертна, но с добавлением небольшого количества перекиси она сразу начинает всё отлично стравливать.

Фазовая память – очень перспективная разработка, но и проблем с её воплощением в жизнь много. Хочется верить, что лет через пять-десять нам удастся подержать в руках новейшую технологию.

***

Илья Селивёрстов