微型存储单元可承受极端温度，使半导体更小、更好，可用于微电子

显微镜显示了当铝钪氮化开关和材料的极性取向发生变化时发生的情况。最初，氮原子在铝原子(n极性，左)的上方。当施加电压时，结构旋转180度，氮原子现在在铝原子(m极性，右)之下。这种变化不是同时发生在材料的各个地方，而是在虚线处结束。

基尔大学和伊策霍弗劳恩霍夫硅技术研究所（ISIT）的材料科学家已经清除了下一代半导体器件（如新型存储单元）新材料开发和结构的另一个障碍。

他们已经表明，铁电铝氮化钪可以缩小到几纳米，并且可以存储不同的状态，使其适合作为纳米开关。此外，它们已经证明氮化铝钪是一种特别稳定和强大的半导体材料，适用于基于硅、碳化硅和氮化镓的当前技术。与当今的微电子器件相比，该材料可以承受高达1,000°C的极端温度。

这开辟了化学工业和钢铁工业中发动机或涡轮机燃烧过程的信息存储或传感器等应用。研究结果发表在《高级科学》杂志上。该研究是一个研究项目的一部分，该项目汇集了材料开发和微电子应用的基础研究。

首次可用于应用程序

如今，高性能芯片和微电子元件可以在每台计算机、汽车和工业工厂中找到。稳定和节能的微电子是工业和社会数字化、可持续能源供应或现代医疗技术的技术基础。但是今天的计算机芯片在非常低的电压下工作，只有1-2伏 - 在更高的电压下，它们会分解。

Fichtner和他的同事能够将材料生产成仅4至5纳米厚的薄膜，将所需的电压从原来的100伏以上降低到1伏。“在我们的研究中，我们首次能够证明氮化铝钪也可以在这些小尺寸下工作而不会改变其性能，”基尔大学和ISIT的材料科学家Simon Fichtner博士说。“因此，它适用于标准硅芯片，因此非常适合作为半导体材料。

氮化铝钪现在可用于生产尺寸仅为几纳米的组件，并且可以集成到现有的半导体技术中。“这意味着我们正在抛弃基础研究，并且可以第一次真正考虑应用，”基尔大学合作研究中心“磁电传感器”的Niklas Wolff博士说。跨学科研究网络已经在传感器原型中使用这种材料进行医学诊断。

比以前的硅存储系统更稳定

作为BMBF项目“SALSA”的一部分，材料研究人员还能够证明，由氮化铝钪制成的记忆细胞比迄今为止使用的硅存储器稳定得多。“我们的记忆单元在1°C的测试中保留了它们的信息。 目前可用的硅存储器最多只能工作000°，“Fichtner说。这使得可以在极端条件下使用它们，例如许多工业生产过程中的条件下。

四年前，Fichtner在CAU的博士论文中首次证明氮化铝钪属于铁电材料组，引起了国际研究界的极大兴趣。在铁电体中，电偶极子（极化 + / -）永久对齐，无需外部电场——类似于冰箱磁铁。当施加电压时，材料的晶体结构在原子水平上被反转，其电取向也是如此。

因此，这些材料的电性能可以从外部以受控的方式改变，它们可以在两种状态之间“切换”。这使得它们在工业应用中非常有趣，但到目前为止，它们还不够强大或太不可靠。氮化铝钪在高温下工作，电压仅为一伏，与传统铁电材料相比具有明显的优势。

原子的排列改变了

在他们的研究中，研究小组还首次准确地展示了氮化铝钪在转换过程中发生的情况。他们使用扫描透射电子显微镜在纳米尺度上分析了材料的原子结构。他们能够证明在施加电压后氮原子和铝原子的排列发生了变化。

Wolff说:“令人惊讶的是，这并不像其他铁电材料那样同时发生在材料的所有地方，而是在单个区域一个接一个地平滑地发生。”换句话说，材料不会一次全部转换。

“如果你考虑到我们目前的存储技术在两个状态0和1下工作，其他中间状态和完全不同的应用可能是可能的，”博士研究员Georg Schönweger补充道。

“与现有技术的连接开辟了广泛的可能应用，包括完全基于氮化镓半导体的电力电子、高频技术或更节能的计算机架构，”“神经电子学”合作研究中心发言人Hermann Kohlstedt教授说。在这里，氮化铝钪用于基于人脑的创新神经形态计算机的研究正在进行中。

作为BMBF项目的一部分，Fraunhofer ISIT正在研究其在驱动器中的应用，例如在扬声器中，并且已经为此目的开发了原型。弗莱堡的弗劳恩霍夫应用固体物理研究所(IAF)正致力于将氮化铝钪制成的铁电薄膜集成到更好的晶体管生产中。