Der Energieverbrauch für Computer steigt exponentiell an. Das Business-Intelligence- und Beratungsunternehmen Enerdata berichtet, dass Information, Kommunikation und Technologie 5 % bis 9 % des gesamten Stromverbrauchs weltweit ausmachen.
Wenn das Wachstum unvermindert anhält, könnte das Computing bis 2030 bis zu 20 % der weltweiten Stromerzeugung verbrauchen. Da die Stromnetze bereits durch wetterbedingte Ereignisse und die Umstellung der Wirtschaft von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energien belastet sind, müssen Ingenieure die Energiebedarfskurve des Computing dringend abflachen .
Mitglieder der multifunktionalen Dünnschichtgruppe von Jon Ihlefeld leisten ihren Beitrag. Sie untersuchen ein Materialsystem, das es der Halbleiterindustrie ermöglichen wird, Berechnung und Speicher auf einem einzigen Chip unterzubringen.
„Im Moment haben wir einen Computerchip, der seine Rechenaufgaben mit ein wenig Speicher erledigt“, sagte Ihlefeld, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaft und -technik sowie Elektro- und Computertechnik an der University of Virginia School of Engineering and Applied Science.
Jedes Mal, wenn der Computerchip mit dem Speicher der größeren Speicherbank sprechen möchte, sendet er ein Signal über die Leitung, und das erfordert Energie. Je länger die Strecke, desto mehr Energie wird benötigt. Heutzutage kann die Entfernung ziemlich weit sein – bis zu mehreren Zentimetern.
„In einer perfekten Welt würden wir sie direkt miteinander in Kontakt bringen“, sagte Ihlefeld.
Das erfordert Speichermaterialien, die mit dem Rest der integrierten Schaltung kompatibel sind. Eine Klasse von Materialien, die für Speichervorrichtungen geeignet sind, sind Ferroelektrika, was bedeutet, dass sie eine Ladung bei Bedarf halten und abgeben können. Die meisten Ferroelektrika sind jedoch nicht mit Silizium kompatibel und funktionieren nicht gut, wenn sie sehr klein gemacht werden, eine Notwendigkeit für moderne und zukünftige miniaturisierte Geräte.
Forscher in Ihlefelds Labor spielen Heiratsvermittler. Ihre Forschung bringt Materialien mit elektrischen und optischen Eigenschaften voran, die moderne Berechnungen und Kommunikation ermöglichen, eine Forschungsstärke des Departements für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. Sie spezialisieren sich auch auf die Herstellung und Charakterisierung einer Reihe von Materialien, eine Forschungsstärke des Charles L. Brown Department of Electrical and Computer Engineering.
Ihr interessantes Material ist Hafniumoxid, das heute in der Herstellung von Mobiltelefonen und Computern verwendet wird. Der Nachteil ist, dass Hafniumoxid in seinem natürlichen Zustand nicht ferroelektrisch ist.
Eine Spitze der Kappe zu Shelby Fields
In den letzten 11 Jahren wurde bekannt, dass die Atome von Hafniumoxid manipuliert werden können, um eine ferroelektrische Phase oder Struktur zu erzeugen und zu halten. Wenn ein Hafniumoxid-Dünnfilm erhitzt wird, ein Prozess, der als Glühen bezeichnet wird, können sich seine Atome in das kristallographische Muster eines ferroelektrischen Materials bewegen; wenn der dünne Film abgekühlt wird, stellt sich seine kristalline Struktur ein.
Warum die Bildung der ferroelektrischen Phase stattfindet, war Gegenstand vieler Spekulationen. Shelby Fields, der einen Ph.D. in Materials Science Engineering von UVA veröffentlichte in diesem Jahr eine wegweisende Studie, um zu erklären, wie und warum sich Hafniumoxid in seine nützliche, ferroelektrische Phase bildet.
Das im August in Advanced Electronic Materials veröffentlichte Paper von Fields, Origin of Ferroelectric Phase Stabilization via the Clamping Effect in Ferroelectric Hafnium Zirconium Oxide Thin Films, zeigt, wie eine auf Hafniumoxid basierende Dünnschicht stabilisiert werden kann, wenn sie zwischen einem Metallsubstrat und einem Elektrode. Frühere Untersuchungen ergaben, dass sich ein größerer Teil des Films in der ferroelektrischen kristallinen Phase stabilisiert, wenn die obere Elektrode zum thermischen Tempern und Abkühlen an Ort und Stelle ist.
„Die Community hatte alle möglichen Erklärungen dafür, warum das so ist, und es stellt sich heraus, dass wir uns geirrt haben“, sagte Fields. „Wir dachten, die obere Elektrode übe eine Art mechanische Spannung aus, die seitlich über die Ebene der Elektrode strahlt, die verhindert, dass sich das Hafniumoxid ausdehnt und in seinen natürlichen, nicht ferroelektrischen Zustand zurückkehrt. Meine Forschung zeigt, dass die mechanische Spannung nachlässt der Ebene; die Elektrode wirkt klemmend.“
Das ganze Sandwich – das Substrat, die Dünnschicht und die Elektrode – ist ein Kondensator, und diese Erkenntnis könnte sehr wohl die Materialien verändern, die Halbleiterhersteller als Elektroden auswählen.
„Jetzt verstehen wir, warum die oberste Schicht eine so wichtige Überlegung ist. Auf der ganzen Linie müssen Leute, die Computer und Speicher auf einem einzigen Chip integrieren wollen, sorgfältiger über alle Verarbeitungsschritte nachdenken“, sagte Fields.
Fields‘ Aufsatz fasst das abschließende Kapitel seiner Dissertationsforschung zusammen. In zuvor veröffentlichten Forschungsarbeiten demonstrierte Fields Techniken zur Messung sehr dünner Filme und mechanischer Spannungen; Die winzigen Materialien erschwerten experimentelle Spannungsmessungen.
Zu den Mitwirkenden an dieser gemeinsamen Forschung gehören die Gruppenmitglieder Samantha Jaszewski, Ale Salanova und Takanori Mimura sowie Wesley Cai und Brian Sheldon von der Brown University, David Henry von den Sandia National Labs, Kyle Kelley vom Oak Ridge National Lab und Helge Heinrich von UVA’s Nanoscale Materials Charakterisierungseinrichtung. Finanzmittel, die vom 3D Ferroelectric Microelectronics Energy Frontier Research Center des US-Energieministeriums und der Semiconductor Research Corporation gewährt wurden, unterstützten die Forschung.
„Wir wollten über anekdotische Beschreibungen hinausgehen und Daten liefern, um unsere Charakterisierung des Verhaltens des Materials zu untermauern“, sagte Fields. „Ich bin froh, dass wir der Community mehr Klarheit in Bezug auf diesen Klemmeffekt bieten konnten. Wir wissen, dass die obere Schicht sehr wichtig ist, und wir können diese obere Schicht so konstruieren, dass sie den Klemmeffekt verbessert, und vielleicht die untere Schicht so konstruieren, dass sie bei diesem Effekt hilft. auch. Die Möglichkeit, eine einzige experimentelle Variable zur Steuerung der kristallinen Phase zu nutzen, wäre ein großer Vorteil für das Halbleiterfeld. Ich würde mich freuen, wenn jemand diese Frage stellt und beantwortet.“
O markiert die Stelle
Dieser Jemand könnte Samantha Jaszewski sein, eine Ph.D. Student der Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften und Mitglied der Ihlefeld-Forschungsgruppe Multifunktionale Dünnschicht. Jaszewski möchte auch verstehen, was zur Stabilität der ferroelektrischen Phase von Hafniumoxid beiträgt und wie Chipdesigner das Verhalten des Materials steuern können.
Jaszewskis Forschung konzentriert sich auf den atomaren Aufbau von Hafniumoxid in seiner natürlichen und ferroelektrischen Phase, mit besonderem Augenmerk auf die Rolle von Sauerstoffatomen. Ihre wegweisende Studie Impact of Oxygen Content on Phase Constitution and Ferroelectric Behavior of Hafnium Oxide Thin Films Deposited by Reactive High-Power Impulse Magnetron Sputtering wird in der Oktoberausgabe 2022 von veröffentlicht Acta Materialia.
Hafniumoxid besteht, wie der Name schon sagt, aus Hafnium- und Sauerstoffatomen. „Manchmal fehlen uns diese Sauerstoffatome an bestimmten Stellen, und das hilft, die ferroelektrische Phase zu stabilisieren“, sagte Jaszewski.
Der natürliche, nicht ferroelektrische Zustand kann eine Reihe dieser Sauerstoffleerstellen tolerieren, aber nicht so viele, wie zur Stabilisierung der ferroelektrischen Phase benötigt werden. Die genaue Konzentration und Position von Sauerstoffleerstellen, die Hafniumoxid ferroelektrisch machen, hat sich als schwer fassbar erwiesen, da nicht viele Werkzeuge zur Verfügung stehen, um eine endgültige Messung durchzuführen.
Jaszewski umging dieses Problem, indem er verschiedene Techniken verwendete, um Sauerstoffleerstellen in den Dünnfilmen des Teams zu messen und diese mit ferroelektrischen Eigenschaften zu korrelieren. Sie entdeckte, dass die ferroelektrische Phase eine viel höhere Anzahl an Sauerstoffleerstellen benötigt als bisher angenommen.
Röntgenphotoelektronenspektroskopie war das Werkzeug der Wahl, um Sauerstoffleerstellenkonzentrationen zu berechnen. Jaszewski entdeckte, dass es Faktoren gibt, die über das hinausgehen, was Benutzer dieser Spektroskopietechnik normalerweise messen, was zu einer enormen Unterzählung der Sauerstoffleerstellen führt.
Jaszewskis Experimente zeigen auch, dass Sauerstoffleerstellen einer der wichtigsten Parameter zur Stabilisierung der ferroelektrischen Phase des Materials sein können, wenn nicht sogar der wichtigste. Weitere Untersuchungen müssen durchgeführt werden, um zu verstehen, wie es zu den Stellenangeboten kommt. Sie möchte auch, dass andere Forschungsteams die Sauerstoffleerstellen mit ihrer Methode messen, um ihre Ergebnisse zu validieren.
Jaszewskis Forschung wirft die herkömmliche Meinung um, die darauf hindeutet, dass die Größe des Kristalls – Korn genannt – das Hafniumoxid stabilisiert. Jaszewski stellte drei Proben mit gleichen Korngrößen und unterschiedlichen Sauerstoffleerstellenkonzentrationen her. Ihre Forschung zeigt, dass die in diesen Proben vorhandenen Phasen unterschiedlich waren, was zu dem Schluss führte, dass die Sauerstoffleerstellenkonzentration wichtiger ist als die Korngröße.
Jaszewski war der Erstautor des Papiers, das von den Gruppenmitgliedern Fields und Salanova mit Mitarbeitern in vielen Forschungsgruppen innerhalb und außerhalb der UVA gemeinsam verfasst wurde. Jaszewskis Forschung wird von ihrem Forschungsstipendium der National Science Foundation und der Semiconductor Research Corporation finanziert.
Jaszewski vertieft ihre Untersuchung von Hafniumoxiden, um die Reaktion des Materials auf das Anlegen eines elektrischen Felds zu erklären. In der Halbleiterindustrie wird dieses Phänomen als Aufwachen und Ermüdung bezeichnet.
„Wenn Sie ein elektrisches Feld an dieses Material anlegen, nehmen die ferroelektrischen Eigenschaften zu oder werden ‚aufgeweckt‘. Wenn Sie das elektrische Feld weiter anlegen, verschlechtern sich die ferroelektrischen Eigenschaften in einem Prozess, der als Ermüdung bekannt ist“, sagte Jaszewski.
Sie hat herausgefunden, dass das anfängliche Anlegen eines elektrischen Felds die ferroelektrische Struktur verstärkt, aber die Ergebnisse sinken.
„Wenn Sie das Feld weiter anlegen, verschlechtern sich die ferroelektrischen Eigenschaften“, sagte Jaszewski.
Der nächste Schritt ist die Untersuchung, wie die Choreographie der Sauerstoffatome im Material zum Aufwachen und zur Ermüdung beiträgt, was eine Untersuchung erfordert, wo sich Leerstellen dynamisch befinden.
„Diese wegweisenden Studien erklären, warum ferroelektrisches Hafniumoxid existiert und wie es sich stabilisiert“, sagte Ihlefeld. „Basierend auf diesen neuen Erkenntnissen können wir Hafniumoxid-Dünnfilme so konstruieren, dass sie noch stabiler sind und in einer tatsächlichen Anwendung noch besser funktionieren. Durch diese Grundlagenforschung können wir Halbleiterfirmen helfen, den Ursprung von Problemen zu verstehen und sie in Zukunft zu vermeiden Fertigungslinien.“