De nouveaux ferroélectriques pour une microélectronique plus efficace

Lorsque nous communiquons avec d’autres via des réseaux sans fil, les informations sont envoyées aux centres de données où elles sont collectées, stockées, traitées et distribuées. Alors que l’utilisation de l’énergie informatique continue de croître, elle est en passe de devenir potentiellement la principale source de consommation d’énergie de ce siècle. La mémoire et la logique sont physiquement séparées dans la plupart des ordinateurs modernes et, par conséquent, l’interaction entre ces deux composants consomme beaucoup d’énergie pour accéder, manipuler et restaurer les données.

Une équipe de chercheurs de l’Université Carnegie Mellon et de l’Université Penn State explore des matériaux qui pourraient éventuellement conduire à l’intégration de la mémoire directement au-dessus du transistor. En changeant l’architecture du microcircuit, les processeurs pourraient être beaucoup plus efficaces et consommer moins d’énergie. En plus de créer une proximité entre ces composants, les matériaux non volatils étudiés ont le potentiel d’éliminer le besoin de rafraîchir régulièrement les systèmes de mémoire des ordinateurs.

Leurs travaux récents publiés dans Science explore les matériaux qui sont ferroélectriques ou qui ont une polarisation électrique spontanée qui peut être inversée par l’application d’un champ électrique externe. Les ferroélectriques wurtzite récemment découverts, qui sont principalement composés de matériaux déjà incorporés dans la technologie des semi-conducteurs pour les circuits intégrés, permettent l’intégration de nouveaux dispositifs économes en énergie pour des applications telles que la mémoire non volatile, l’électro-optique et la récupération d’énergie.

L’un des plus grands défis des ferroélectriques wurtzites est que l’écart entre les champs électriques nécessaires au fonctionnement et le champ de claquage est très faible.

« Des efforts significatifs sont consacrés à l’augmentation de cette marge, ce qui nécessite une compréhension approfondie de l’effet de la composition, de la structure et de l’architecture des films sur la capacité de commutation de polarisation dans des champs électriques pratiques », a déclaré Sebastian Calderone, chercheur postdoctoral à Carnegie Mellon, qui est l’auteur principal de l’article.

Les deux institutions ont été réunies pour collaborer à cette étude par le biais du Center for 3D Ferroelectric Microelectronics (3DFeM), qui est un programme du Energy Frontier Research Center (EFRC) dirigé par la Penn State University.

Le département de science et d’ingénierie des matériaux de Carnegie Mellon, dirigé par le professeur Elizabeth Dickey, a été sélectionné pour ce projet en raison de son expérience dans l’étude du rôle de la structure des matériaux dans les propriétés fonctionnelles à très petite échelle par microscopie électronique.

« Le groupe du professeur Dickey apporte une expertise thématique particulière dans la mesure de la structure de ces matériaux à de très petites échelles de longueur, ainsi qu’une concentration sur les matériaux électroniques particuliers d’intérêt de ce projet », a déclaré Jon-Paul Maria, professeur de science des matériaux et Ingénierie à la Penn State University.

Ensemble, l’équipe de recherche a conçu une expérience combinant la forte expertise des deux institutions sur la synthèse, la caractérisation et la modélisation théorique des ferroélectriques wurtzites.

En observant et en quantifiant la commutation de polarisation en temps réel à l’aide de la microscopie électronique à transmission à balayage (STEM), l’étude a abouti à une compréhension fondamentale de la façon dont ces nouveaux matériaux ferroélectriques commutent au niveau atomique. Au fur et à mesure que la recherche dans ce domaine progresse, l’objectif est de mettre à l’échelle les matériaux à une taille dans laquelle ils peuvent être utilisés dans la microélectronique moderne.