Neuer ultradünner Kondensator könnte energieeffiziente Mikrochips ermöglichen

Die siliziumbasierten Computerchips, die unsere modernen Geräte antreiben, benötigen enorme Mengen an Energie, um zu funktionieren. Trotz immer besserer Recheneffizienz wird die Informationstechnologie voraussichtlich bis 2030 rund 25 % der gesamten erzeugten Primärenergie verbrauchen. Forscher in den Bereichen Mikroelektronik und Materialwissenschaften suchen nach Wegen, den globalen Bedarf an Rechenleistung nachhaltig zu bewältigen.

Der heilige Gral zur Reduzierung dieses digitalen Bedarfs ist die Entwicklung von Mikroelektronik, die mit viel niedrigeren Spannungen arbeitet, was weniger Energie erfordern würde und ein Hauptziel der Bemühungen ist, über die heutigen hochmodernen CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) hinauszugehen. Geräte.

Es gibt Nicht-Silizium-Materialien mit verlockenden Eigenschaften für Speicher- und Logikbausteine; aber ihre übliche Bulk-Form erfordert immer noch große Spannungen, um sie zu manipulieren, was sie mit moderner Elektronik inkompatibel macht. Die Entwicklung von Dünnschichtalternativen, die nicht nur bei niedrigen Betriebsspannungen gut funktionieren, sondern auch in mikroelektronische Geräte gepackt werden können, bleibt eine Herausforderung.

Jetzt hat ein Forscherteam des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und der UC Berkeley einen energieeffizienten Weg identifiziert – durch die Synthese einer Dünnschichtversion eines bekannten Materials, dessen Eigenschaften genau das sind, was für Geräte der nächsten Generation benötigt wird .

Bariumtitanat (BaTiO3) wurde erstmals vor mehr als 80 Jahren entdeckt und fand Anwendung in verschiedenen Kondensatoren für elektronische Schaltungen, Ultraschallgeneratoren, Wandler und sogar Sonar.

Kristalle des Materials reagieren schnell auf ein kleines elektrisches Feld und ändern die Ausrichtung der geladenen Atome, aus denen das Material besteht, reversibel, aber dauerhaft, selbst wenn das angelegte Feld entfernt wird. Dies bietet eine Möglichkeit, in Logik- und Speichergeräten zwischen den sprichwörtlichen Zuständen „0“ und „1“ umzuschalten – erfordert dafür aber immer noch Spannungen von mehr als 1.000 Millivolt (mV).

Um diese Eigenschaften für die Verwendung in Mikrochips zu nutzen, entwickelte das von Berkeley Lab geführte Team einen Weg zur Herstellung von Filmen aus BaTiO3, die nur 25 Nanometer dünn sind – weniger als ein Tausendstel der Breite eines menschlichen Haares –, deren Ausrichtung geladener Atome oder Polarisation sich ändert schnell und effizient wie in der Bulk-Version.

„Wir kennen BaTiO3 seit fast einem Jahrhundert und wir wissen seit über 40 Jahren, wie man dünne Filme aus diesem Material herstellt. Aber bis jetzt konnte niemand einen Film machen, der der Struktur oder Leistung nahe kommt das könnte in großen Mengen erreicht werden“, sagte Lane Martin, Fakultätswissenschaftler in der Materials Sciences Division (MSD) am Berkeley Lab und Professor für Materialwissenschaften und -technik an der UC Berkeley, der die Arbeit leitete.

In der Vergangenheit haben Syntheseversuche zu Filmen geführt, die im Vergleich zu Bulk-Versionen eine höhere Konzentration an „Defekten“ – Punkten, an denen sich die Struktur von einer idealisierten Version des Materials unterscheidet – enthalten. Eine solch hohe Defektkonzentration wirkt sich negativ auf die Leistung von Dünnschichten aus. Martin und Kollegen entwickelten einen Ansatz zum Wachsen der Filme, der diese Mängel begrenzt. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturmaterialien.

Um zu verstehen, was es braucht, um die besten, defektarmen BaTiO3-Dünnschichten herzustellen, wandten sich die Forscher einem Prozess zu, der als gepulste Laserabscheidung bezeichnet wird. Das Abfeuern eines starken Strahls eines ultravioletten Laserlichts auf ein keramisches Target aus BaTiO3 bewirkt, dass sich das Material in ein Plasma umwandelt, das dann Atome vom Target auf eine Oberfläche überträgt, um den Film zu wachsen. „Es ist ein vielseitiges Werkzeug, mit dem wir viele Regler im Wachstum des Films optimieren und sehen können, welche für die Steuerung der Eigenschaften am wichtigsten sind“, sagte Martin.

Martin und seine Kollegen zeigten, dass ihre Methode eine genaue Kontrolle über die Struktur, Chemie, Dicke und Grenzflächen des abgeschiedenen Films mit Metallelektroden erreichen kann. Indem sie jede abgelegte Probe in zwei Hälften schnitten und ihre Struktur Atom für Atom mit Werkzeugen des National Center for Electron Microscopy in der Molecular Foundry des Berkeley Lab betrachteten, entdeckten die Forscher eine Version, die eine extrem dünne Scheibe der Masse genau nachahmte.

„Es macht Spaß, daran zu denken, dass wir diese klassischen Materialien, von denen wir dachten, dass wir alles wüssten, nehmen und sie mit neuen Ansätzen zu ihrer Herstellung und Charakterisierung auf den Kopf stellen können“, sagte Martin.

Schließlich schufen Martin und sein Team winzige Kondensatoren, indem sie einen Film aus BaTiO3 zwischen zwei Metallschichten platzierten – die elektronischen Komponenten, die Energie in einem Schaltkreis schnell speichern und abgeben. Das Anlegen von Spannungen von 100 mV oder weniger und das Messen des entstehenden Stroms zeigten, dass sich die Polarisation des Films innerhalb von zwei Milliardstel Sekunden änderte und möglicherweise schneller sein könnte – konkurrenzfähig mit dem, was heutige Computer benötigen, um auf den Speicher zuzugreifen oder Berechnungen durchzuführen.

Die Arbeit verfolgt das größere Ziel, Materialien mit kleinen Schaltspannungen zu schaffen und zu untersuchen, wie sich Schnittstellen mit den für Geräte erforderlichen Metallkomponenten auf solche Materialien auswirken. „Dies ist ein guter früher Sieg in unserem Streben nach stromsparender Elektronik, die über das hinausgeht, was heute mit siliziumbasierter Elektronik möglich ist“, sagte Martin.

„Im Gegensatz zu unseren neuen Geräten speichern die Kondensatoren, die heute in Chips verwendet werden, ihre Daten nicht, es sei denn, Sie legen ständig eine Spannung an“, sagte Martin. Und aktuelle Technologien arbeiten im Allgemeinen bei 500 bis 600 mV, während eine Dünnschichtversion bei 50 bis 100 mV oder weniger arbeiten könnte. Zusammen demonstrieren diese Messungen eine erfolgreiche Optimierung der Spannungs- und Polarisationsrobustheit – was insbesondere bei dünnen Materialien tendenziell ein Kompromiss ist.

Als nächstes plant das Team, das Material noch dünner zu machen, um es mit echten Geräten in Computern kompatibel zu machen, und zu untersuchen, wie es sich bei diesen winzigen Abmessungen verhält. Gleichzeitig werden sie mit Mitarbeitern von Unternehmen wie Intel Corp. zusammenarbeiten, um die Machbarkeit in elektronischen Geräten der ersten Generation zu testen. „Wenn Sie jede logische Operation in einem Computer millionenfach effizienter machen könnten, denken Sie darüber nach, wie viel Energie Sie sparen. Deshalb machen wir das“, sagte Martin.