Новый сверхтонкий конденсатор может позволить создавать энергоэффективные микросхемы
Компьютерные чипы на основе кремния, которые питают наши современные устройства, требуют для работы огромное количество энергии. Несмотря на постоянное повышение эффективности вычислений, по прогнозам, к 2030 году информационные технологии будут потреблять около 25% всей первичной энергии, производимой. Исследователи в области микроэлектроники и материаловедения ищут способы устойчивого управления глобальной потребностью в вычислительной мощности.
Электронно-микроскопические изображения показывают точную атомную структуру тонкопленочного титаната бария (BaTiO3), заключенного между слоями металлического рутената стронция (SrRuO3), образуя крошечный конденсатор. Предоставлено: Лейн Мартин/Лаборатория Беркли.
Святым Граалем для снижения этого цифрового спроса является разработка микроэлектроники, которая работает при гораздо более низких напряжениях, что потребует меньше энергии и является основной целью усилий по выходу за рамки современного КМОП (полупроводник с комплементарными металл-оксидами) устройства.
Существуют несиликоновые материалы с заманчивыми свойствами для памяти и логических устройств; но их общая объемная форма по-прежнему требует больших напряжений для управления, что делает их несовместимыми с современной электроникой. Разработка тонкопленочных альтернатив, которые не только хорошо работают при низких рабочих напряжениях, но и могут быть упакованы в микроэлектронные устройства, остается сложной задачей.
Теперь группа исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли определила один энергоэффективный путь — путем синтеза тонкослойной версии известного материала, свойства которого точно соответствуют требованиям для устройств следующего поколения. .
Впервые обнаруженный более 80 лет назад титанат бария (BaTiO3) нашел применение в различных конденсаторах электронных схем, ультразвуковых генераторах, преобразователях и даже гидролокаторах.
Кристаллы материала быстро реагируют на небольшое электрическое поле, изменяя ориентацию заряженных атомов, составляющих материал, обратимым, но постоянным образом, даже если приложенное поле снимается. Это обеспечивает способ переключения между общеизвестными состояниями «0» и «1» в логических устройствах и устройствах хранения данных, но для этого все еще требуется напряжение более 1000 милливольт (мВ).
Стремясь использовать эти свойства для использования в микрочипах, группа под руководством лаборатории Беркли разработала способ создания пленок BaTiO3 толщиной всего 25 нанометров — менее одной тысячной ширины человеческого волоса — чья ориентация заряженных атомов, или поляризация, переключается так же быстро и эффективно, как и в массовом варианте.
«Мы знаем о BaTiO 3 уже большую часть века и знаем, как делать тонкие пленки из этого материала более 40 лет. Но до сих пор никто не мог сделать пленку, которая могла бы приблизиться к структуре или производительность и может быть достигнута в массовом порядке», — сказал Лейн Мартин, научный сотрудник отдела материаловедения (MSD) в лаборатории Беркли и профессор материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Беркли, который руководил работой.
Исторически попытки синтеза приводили к получению пленок с более высокой концентрацией «дефектов» — точек, где структура отличается от идеализированной версии материала — по сравнению с объемными версиями. Такая высокая концентрация дефектов отрицательно влияет на характеристики тонких пленок. Мартин и его коллеги разработали подход к выращиванию пленки, ограничивающий эти дефекты. Результаты были опубликованы в журнале Nature Materials.
Чтобы понять, что нужно для производства лучших тонких пленок BaTiO 3 с низким уровнем дефектов, исследователи обратились к процессу, называемому импульсным лазерным осаждением. Направление мощного луча ультрафиолетового лазера на керамическую мишень из BaTiO 3 вызывает превращение материала в плазму, которая затем переносит атомы с мишени на поверхность для выращивания пленки. «Это универсальный инструмент, с помощью которого мы можем настроить множество регуляторов роста пленки и посмотреть, какие из них наиболее важны для управления свойствами», — сказал Мартин.
Мартин и его коллеги показали, что их метод может обеспечить точный контроль над структурой осажденной пленки, химическим составом, толщиной и поверхностью раздела с металлическими электродами. Разделив каждый осажденный образец пополам и изучив его структуру, атом за атомом, используя инструменты Национального центра электронной микроскопии в лаборатории молекулярной литейной лаборатории Беркли, исследователи выявили версию, которая точно имитировала чрезвычайно тонкий срез массы.
«Забавно думать, что мы можем взять эти классические материалы и перевернуть их с ног на голову, используя новые подходы к их созданию и характеристике», — сказал Мартин.
Наконец, поместив пленку BaTiO3 между двумя металлическими слоями, Мартин и его команда создали крошечные конденсаторы — электронные компоненты, которые быстро накапливают и выделяют энергию в цепи. Применение напряжения 100 мВ или меньше и измерение возникающего тока показало, что поляризация пленки переключается в течение двух миллиардных долей секунды и потенциально может быть быстрее — конкурентоспособным с тем, что требуется современным компьютерам для доступа к памяти или выполнения вычислений.
Работа следует более крупной цели — созданию материалов с малыми напряжениями переключения и изучению того, как интерфейсы с металлическими компонентами, необходимыми для устройств, влияют на такие материалы. «Это хорошая ранняя победа в нашем стремлении к маломощной электронике, которая выходит за рамки того, что возможно сегодня с электроникой на основе кремния», — сказал Мартин.
«В отличие от наших новых устройств, конденсаторы, используемые сегодня в чипах, не сохраняют свои данные, если вы не продолжаете подавать напряжение», — сказал Мартин. Современные технологии обычно работают при напряжении от 500 до 600 мВ, в то время как тонкопленочная версия может работать при напряжении от 50 до 100 мВ или меньше. В совокупности эти измерения демонстрируют успешную оптимизацию устойчивости к напряжению и поляризации, что, как правило, является компромиссом, особенно в тонких материалах.
Затем команда планирует уменьшить материал еще тоньше, чтобы сделать его совместимым с реальными устройствами в компьютерах, и изучить, как он ведет себя при таких крошечных размерах. В то же время они будут работать с сотрудниками из таких компаний, как Intel Corp., чтобы проверить возможности электронных устройств первого поколения. «Если бы вы могли сделать каждую логическую операцию в компьютере в миллион раз более эффективной, подумайте, сколько энергии вы сэкономите. Вот почему мы это делаем», — сказал Мартин.
