Результаты исследования могут быть использованы при создании энергонезависимой памяти и транзисторов для мобильной связи нового поколения.
Аспирант Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) Владимир Жилицкий представил результаты исследования тонких пленок на основе диоксида гафния на Международной конференции «Атомно-слоевое осаждение: Россия-2026». Его доклад признан лучшим среди сообщений молодых ученых конференции.
Научный руководитель Владимира Жилицкого — заведующий лабораторией ИФП СО РАН, доктор физико-математических наук Владимир Павлович Попов.
Диоксид гафния относится к high-k диэлектрикам — материалам с высокой диэлектрической проницаемостью. Их используют как изолятор в транзисторах. По сравнению с традиционным диоксидом кремния такие материалы позволяют уменьшить рабочее напряжение и энергопотребление электронных устройств.
Кроме того, определенная кристаллическая форма диоксида гафния обладает сегнетоэлектрическими свойствами: она изменяет электрическую поляризацию и сохраняет ее после отключения напряжения. Благодаря этому материал перспективен для создания энергонезависимой памяти и транзисторов с регулируемым порогом переключения.
Отметим, что плёнки диэлектрика выращивались методом плазменно-стимулированного атомно-слоевого осаждения в отделении Физико-технологических исследований имени К.А. Валиева НИЦ «Курчатовский институт».
Как сохранить нужные свойства
Проблема заключается в том, что нужная кристаллическая форма диоксида гафния нестабильна и при нагревании может переходить в другую фазу, которая хуже подходит для электронных устройств.
Обычно для стабилизации материала используют добавление или, говоря иначе, — легирование цирконием. В ИФП СО РАН исследуют другой подход — легирование диоксида гафния оксидом алюминия.
«Мы выяснили, что небольшие участки нужной орторомбической фазы сохраняются даже после отжига (нагрева) до 900 градусов Цельсия. Вероятно, это связано с особенностями легирования алюминием», — рассказал Владимир Жилицкий.
При этом ученые обнаружили другую проблему. При нагревании кремний забирает кислород из диоксида гафния. На границе материалов образуется дополнительный слой с низкой диэлектрической проницаемостью. Особенно быстро он растет при температурах выше 800 градусов.
Из-за этого эффективная диэлектрическая проницаемость всей структуры составляет около 12–13 вместо ожидаемых 20–25.
«Мы считаем, что получить проницаемость около 20 можно, если проводить быстрый отжиг при температуре не выше 750 градусов. Дополнительно можно использовать тонкий защитный слой, который будет препятствовать выходу кислорода в кремний», — пояснил ученый.
Перспективы применения
Исследуемая структура представляет собой тонкий слой диоксида гафния, расположенный (специально введенный) между слоями кремния. Такая конструкция может использоваться в двухзатворных транзисторах, позволяя регулировать порог их переключения.
Это открывает возможности для создания более энергоэффективной электроники, работающей при низких напряжениях, а также высокочастотных устройств для мобильной связи нового поколения. Сегнетоэлектрические свойства диоксида гафния делают его перспективным и для разработки энергонезависимой памяти. Однако пока исследование носит фундаментальный характер, но при заинтересованности индустрии, может получить новые векторы развития.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (№ 25-19-20049) и Правительства Новосибирской области (№ 30-2025-000924).
Микрофото образцов кремния-на-изоляторе, с которыми работает Владимир Жилицкий, с ультратонкими слоями в 140 нанометров вольфрамовых контактов (светлые фигуры), толщиной слоя кремний-на изоляторе 85 нанометров и 15-ти нанометровым слоем high-k скрытого диэлектрика на подложке кремния. Фото снято: в режимах DIC — дифференциально-интерференционный контраст (а) и TIC — полный интерференционный контраст (б). Эти микрофото позволяют определить топологию и трехмерную карту измеряемых слоев в образцах.
По сообщению пресс-службы ИФП СО РАН