12.01.2026 • Materialwissenschaften

Ultradünne ferroelektrische Kondensatoren für kleinere Speicher

Ein japanisches Team reduziert die Gesamtdicke von Kondensatorstapeln unter Beibehaltung starker Polarisationseigenschaften.

Ein ultradünner ferroelektrischer Kondensator, der von Forschern aus Japan entwickelt wurde, zeigt trotz einer Dicke von nur 30 nm einschließlich der oberen und unteren Elektroden eine starke elektrische Polarisation und eignet sich daher für hochkompakte Elektronik. Durch die Verwendung einer mit Scandium dotierten Aluminiumnitridlage als ferroelektrische Schicht erzielten sie selbst bei reduzierter Dicke eine hohe Remanenzpolarisation. Dieses Ergebnis weist eine hohe Kompatibilität mit Halbleiterbauelementen auf, die Logikschaltungen und Speicher kombinieren, und ebnet den Weg für kompakte und effiziente On-Chip-Speicher für zukünftige Technologien.

Ultrathin (Al,Sc)N Ferroelectric Capacitors for Next-Generation Memory Devices — Ultradünner (Al,Sc)N-ferroelektrischer Kondensator für Speichergeräte der nächsten Generation.
Quelle: Science Tokyo / Wiley

Die moderne Elektroniktechnologie schreitet rasch in Richtung Miniaturisierung voran und schafft Geräte, die immer kompakter und dennoch leistungsstark sind. Da die Geräte immer kleiner werden, steigt die Nachfrage nach winzigen Speichermaterialien, die Daten auch bei geringeren Abmessungen effizient speichern können. Ferroelektrische Speicher sind vielversprechende Optionen für zukünftige mobile und kompakte Elektronik, da sie Informationen mithilfe einer schaltbaren Polarisation speichern und so die Daten auch ohne Stromversorgung erhalten bleiben. Allerdings wurden erst sehr wenige Fortschritte bei der Verkleinerung dieser ferroelektrischen Geräte publiziert.

Um diese Lücke zu schließen, gelang es einem Forschungsteam unter der Leitung von Hiroshi Funakubo von der School of Materials and Chemical Technology, Institute of Science Tokyo, Japan, in Zusammenarbeit mit Canon ANELVA, einen ferroelektrischen Speicherkondensatorstapel mithilfe von Scandium-substituierten Aluminiumnitrid ((Al,Sc)N)-Dünnschichten mit Platinelektroden erfolgreich zu verkleinern und die Gesamtdicke einschließlich der oberen und unteren Elektroden auf nur 30 nm zu reduzieren.

Typischerweise verwenden ferroelektrische Speicher ein einfaches Stapeldesign, das aus einer ferroelektrischen Materialschicht besteht, die zwischen zwei Metallelektroden eingeschlossen ist. Die ferroelektrische Schicht ist für die Speicherung von Informationen durch umschaltbare Polarisation verantwortlich, während die Elektroden die elektrische Verbindung sicherstellen und eine spannungsgesteuerte Umschaltung ermöglichen.

„Bisherige Forschungen zur Verkleinerung ferroelektrischer Speicher haben sich nur auf die Verringerung der Dicke der ferroelektrischen Schichten konzentriert“, bemerkt Funakubo. „Was unsere Forschung auszeichnet, ist, dass wir uns auf die Verkleinerung des gesamten Gerätestapels konzentriert haben, nicht nur auf die ferroelektrische Schicht.“

Um dies zu erreichen, entwickelten die Forscher eine dreischichtige Kondensatorstruktur, die aus einer (Al_0,9Sc_0,1)N-Schicht als ferroelektrischer Schicht zwischen Platinelektroden besteht. Durch sorgfältiges Abwägen der Schichtdicke und der Funktionsleistung gelang es dem Team, einen optimierten vollständigen Kondensatorstapel mit einer Dicke von nur 30 nm zu bauen. Der resultierende Pt/(Al_0,9Sc_0,1)N/Pt-Kondensatorstapel bestand aus einer 5 nm dicken Platin-Bodenelektrode, einer 20 nm dicken (Al_0,9Sc_0,1)N-Ferroelektrikumschicht und einer 5 nm dicken Platin-Deckelektrode.

Die beeindruckende Leistung wurde auf die inhärente Ferroelektrizität von (Al,Sc)N zurückgeführt, die auf seiner hohen Remanenzpolarisation beruht. Darüber hinaus deutet die Verkleinerung des gesamten Stapels auch auf einen gerätefertigen Kondensator hin, der für die direkte Einbettung in Halbleiter und Logiksysteme geeignet ist.

„Die Ergebnisse zeigten, dass eine hohe ferroelektrische Leistung auch dann aufrechterhalten werden kann, wenn die Dicke des gesamten Kondensatorstapels drastisch reduziert wird, und dies bringt uns der praktischen Umsetzung ultradünner Speichergeräte einen Schritt näher“, sagt Funakubo.

Darüber hinaus entdeckte das Team, dass eine Nachwärmebehandlung der unteren Platinelektrode bei 840 °C deren Kristallorientierung verbesserte und die Polarisationsumschaltung in dünneren Schichten optimierte. Dies unterstreicht einen entscheidenden Schritt zur Erhaltung der ferroelektrischen Leistung bei einer starken Reduzierung der Dicke.

Insgesamt legt die Studie eine solide Grundlage für kompakte ferroelektrische Speicher und könnte die Verkleinerung anderer ferroelektrischer Architekturen wie FeRAM und FTJ inspirieren, die in hohem Maße auf eine stabile Polarisationsumschaltung und -erhaltung angewiesen sind. In Zukunft wollen die Forscher alternative Elektrodenmaterialien mit besser geeigneten Kristallorientierungen untersuchen, die den thermischen Verarbeitungsaufwand reduzieren und gleichzeitig die Haltbarkeit der Bauelemente verbessern könnten. Diese Verbesserungen könnten die Entwicklung von On-Chip-Speichern für Internet-of-Things-Geräte beschleunigen und zu kleinerer, schnellerer und energieeffizienterer Elektronik führen. [ISCT / dre]