Các nhà khoa học Trung Quốc phát hiện việc hạn chế sự dịch chuyển của lỗ trống nitơ trong vật liệu sắt điện cấu trúc wurtzite giúp tăng cường độ tin cậy của bộ nhớ thế hệ mới.
SCMP đưa tin nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Khoa học Kỹ thuật Điện tử Tây An, Đại học Thành phố Hong Kong và Đại học Phúc Đán phát triển phương pháp giúp một loại chip nhớ mới trở nên bền vững hơn hẳn, mở ra tiềm năng sử dụng trong máy tính hiệu suất cao và các hệ thống trí tuệ nhân tạo tương lai khi sự bùng nổ AI thúc đẩy nhu cầu về vật liệu bán dẫn tiên tiến hơn. Họ mô tả chi tiết phương pháp trong bài báo đăng trên tạp chí Science hôm 10/9.
Nhóm nghiên cứu chứng minh vật liệu sắt điện cấu trúc wurtzite, loại vật liệu có khả năng chuyển đổi giữa hai trạng thái điện để lưu trữ dữ liệu, có thể trải qua hơn 10 tỷ chu kỳ ghi. Độ bền này cao gấp khoảng 100 lần so với mức đạt được trước đó, có thể thúc đẩy công nghệ bộ nhớ thế hệ mới. Đột phá trên hứa hẹn đưa bộ nhớ sắt điện tới gần ứng dụng thực tế trong phần cứng máy tính hơn. Đây là công nghệ bộ nhớ không bay hơi thử nghiệm, lưu trữ thông tin thông qua hướng phân cực điện bên trong vật liệu sắt điện cấu trúc wurtzite.
Theo NeoTeo, trong những năm gần đây, vật liệu sắt điện cấu trúc wurtzite (nhóm vật liệu bán dẫn có cấu trúc tinh thể lục phương) như nhôm scandium nitride (AlScN) thu hút nhiều sự chú ý với tiềm năng trở thành vật liệu bộ nhớ thế hệ mới do tốc độ chuyển đổi nhanh và mức tiêu thụ năng lượng thấp. AlScN cũng tương thích với những quy trình sản xuất bán dẫn hiện có, có thể đơn giản hóa quá trình tích hợp vào các thiết bị bộ nhớ tương lai.
Tuy nhiên, vật liệu này vấp phải một hạn chế đáng kể là bị xuống cấp sau khi chuyển đổi điện nhiều lần. Thiết bị AlScN hiện tại thường hỏng hóc sau khoảng 100 triệu chu kỳ ghi, kém xa so với yêu cầu hàng tỷ chu kỳ ghi của ứng dụng thương mại.
Các nhà nghiên cứu xác định sự tích tụ lỗ trống nitơ (những điểm thiếu nguyên tử nitơ) là lý do chính dẫn tới tỷ lệ hỏng hóc tương đối nhanh của chip nhớ sắt điện. Wang Ruiqing, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Khoa học Kỹ thuật Điện tử Tây An, một trong những tác giả của bài báo, giải thích: “Hãy tưởng tượng vật liệu sắt điện giống như một cánh đồng ngô được trồng gọn gàng, và lỗ trống nitơ đại diện cho chỗ thiếu cây giống”. Các lỗ trống nitơ có thể di chuyển và tụ lại với nhau, cuối cùng hình thành đường dẫn qua vật liệu khiến điện rò rỉ và dẫn đến hỏng hóc.
Quá trình phân tích trực tiếp đặc tính của vật liệu AlScN trên tấm wafer. Ảnh: Viện Vật lý Thể rắn Ứng dụng Fraunhofer IAF
Nhóm nghiên cứu giải quyết vấn đề bằng cách thiết kế cấu trúc nhiều lớp để hạn chế lỗ trống nitơ di chuyển và tích tụ, qua đó làm chậm đáng kể tốc độ xuống cấp của vật liệu và đạt hơn 10 tỷ chu kỳ ghi.
Dù đang ở giai đoạn thí nghiệm, phương pháp mới có thể mở đường cho sản xuất vật liệu sắt điện bền hơn nhằm tạo ra chip nhớ mật độ cao và tiêu thụ ít năng lượng. Theo Tech Radar, nếu thành công, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) và lưu trữ dựa trên AlScN có thể trở thành trụ cột của các cụm máy chủ trong tương lai và cung cấp nền tảng cho việc áp dụng rộng rãi hơn mô hình ngôn ngữ lớn và trí tuệ nhân tạo.
An Khang tổng hợp