Bahnbrechende Mikrokondensatoren könnten die Chips der Zukunft antreiben

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Wissenschaftler entwickelten Mikrokondensatoren mit ultrahoher Energie- und Leistungsdichte und ebneten damit den Weg für die Energiespeicherung auf dem Chip in elektronischen Geräten

Im ständigen Bestreben, elektronische Geräte immer kleiner und energieeffizienter zu machen, wollen Forscher die Energiespeicherung direkt auf Mikrochips bringen und so die Verluste reduzieren, die beim Stromtransport zwischen verschiedenen Gerätekomponenten entstehen. Um effektiv zu sein, muss die On-Chip-Energiespeicherung in der Lage sein, große Energiemengen auf sehr kleinem Raum zu speichern und sie bei Bedarf schnell bereitzustellen – Anforderungen, die mit bestehenden Technologien nicht erfüllt werden können.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und der UC Berkeley rekordhohe Energie- und Leistungsdichten in Mikrokondensatoren erreicht, die aus technisch hergestellten dünnen Filmen aus Hafniumoxid und Zirkoniumoxid hergestellt werden, wobei sie Materialien und Herstellungstechniken verwenden, die in der Chipherstellung bereits weit verbreitet sind . Die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Ergebnisse ebnen den Weg für fortschrittliche On-Chip-Energiespeicherung und Stromversorgung in der Elektronik der nächsten Generation.

„Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, viel Energie in Mikrokondensatoren aus technischen Dünnfilmen zu speichern, viel mehr als mit gewöhnlichen Dielektrika möglich ist“, sagte Sayeef Salahuddin, leitender Wissenschaftler der Berkeley Lab-Fakultät und UC Berkeley-Professor, der das leitete Projekt. „Außerdem machen wir das mit einem Material, das direkt auf Mikroprozessoren verarbeitet werden kann.“

Diese Forschung ist Teil der umfassenderen Bemühungen des Berkeley Lab, neue Materialien und Techniken für kleinere, schnellere und energieeffizientere Mikroelektronik zu entwickeln.

„Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, in Mikrokondensatoren aus technisch hergestellten Dünnschichten viel Energie zu speichern, viel mehr als mit gewöhnlichen Dielektrika möglich ist.“ — Sayeef Salahuddin

Kondensatoren gehören zu den Grundbestandteilen elektrischer Schaltkreise, können aber auch zur Speicherung von Energie verwendet werden. Im Gegensatz zu Batterien, die Energie durch elektrochemische Reaktionen speichern, speichern Kondensatoren Energie in einem elektrischen Feld, das zwischen zwei Metallplatten entsteht, die durch ein dielektrisches Material getrennt sind. Kondensatoren können bei Bedarf sehr schnell entladen werden, sodass sie schnell Strom liefern können, und sie verschlechtern sich auch bei wiederholten Lade-Entlade-Zyklen nicht, was ihnen eine viel längere Lebensdauer als Batterien verleiht. Kondensatoren haben jedoch im Allgemeinen eine viel geringere Energiedichte als Batterien, was bedeutet, dass sie weniger Energie pro Volumen- oder Gewichtseinheit speichern können. Dieses Problem wird nur noch schlimmer, wenn man versucht, sie zur Energiespeicherung auf dem Chip auf Mikrokondensatorgröße zu verkleinern.

Hier erreichten die Forscher ihre rekordverdächtigen Mikrokondensatoren, indem sie dünne HfO2-ZrO2-Filme sorgfältig konstruierten, um einen negativen Kapazitätseffekt zu erzielen. Normalerweise führt die Schichtung eines dielektrischen Materials über ein anderes zu einer insgesamt geringeren Kapazität. Wenn jedoch eine dieser Schichten aus einem Material mit negativer Kapazität besteht, erhöht sich tatsächlich die Gesamtkapazität. In früheren Arbeiten demonstrierten Salahuddin und Kollegen die Verwendung von Materialien mit negativer Kapazität zur Herstellung von Transistoren, die bei wesentlich niedrigeren Spannungen als herkömmliche MOSFET-Transistoren betrieben werden können. Hier nutzten sie die negative Kapazität, um Kondensatoren herzustellen, die größere Ladungsmengen und damit Energie speichern können.

Die kristallinen Filme werden aus einer Mischung von HfO2 und ZrO2 hergestellt, die durch Atomlagenabscheidung unter Verwendung von Standardmaterialien und -techniken aus der industriellen Chipherstellung hergestellt werden. Abhängig vom Verhältnis der beiden Komponenten können die Filme ferroelektrisch sein, wobei die Kristallstruktur über eine eingebaute elektrische Polarisation verfügt, oder antiferroelektrisch, wobei die Struktur durch Anlegen eines elektrischen Felds in einen polaren Zustand gebracht werden kann. Wenn die Zusammensetzung genau richtig abgestimmt ist, gleicht das durch das Laden des Kondensators erzeugte elektrische Feld die Filme am Wendepunkt zwischen ferroelektrischer und antiferroelektrischer Ordnung aus, und diese Instabilität führt zum negativen Kapazitätseffekt, bei dem das Material sehr leicht sogar um a polarisiert werden kann kleines elektrisches Feld.

„Diese Elementarzelle möchte während des Phasenübergangs unbedingt polarisiert werden, was dazu beiträgt, als Reaktion auf ein elektrisches Feld zusätzliche Ladung zu erzeugen“, sagte Suraj Cheema, Postdoktorand in Salahuddins Gruppe und einer der Hauptautoren der Arbeit. „Dieses Phänomen ist ein Beispiel für einen negativen Kapazitätseffekt, aber man kann es sich als eine Möglichkeit vorstellen, viel mehr Ladung einzufangen, als man normalerweise hätte.“ Nirmaan Shanker, ein Doktorand in Salahuddins Gruppe, ist Co-Hauptautor.

Um die Energiespeicherfähigkeit der Filme zu erhöhen, musste das Team die Filmdicke erhöhen, ohne zuzulassen, dass sich der Film aus dem frustrierten antiferroelektrisch-ferroelektrischen Zustand entspannt. Sie fanden heraus, dass sie durch Einstreuen atomar dünner Aluminiumoxidschichten nach jeweils wenigen HfO2-ZrO2-Schichten Filme mit einer Dicke von bis zu 100 nm wachsen lassen konnten, ohne dabei die gewünschten Eigenschaften zu verlieren.

Schließlich integrierten die Forscher in Zusammenarbeit mit Mitarbeitern des MIT Lincoln Laboratory die Filme in dreidimensionale Mikrokondensatorstrukturen und ließen die präzise geschichteten Filme in tiefen, in Silizium geschnittenen Gräben mit Seitenverhältnissen von bis zu 100:1 wachsen. Diese 3D-Grabenkondensatorstrukturen werden in heutigen DRAM-Kondensatoren verwendet und können im Vergleich zu Planarkondensatoren eine viel höhere Kapazität pro Grundfläche erreichen, was eine größere Miniaturisierung und Designflexibilität ermöglicht. Die Eigenschaften der resultierenden Geräte sind rekordverdächtig: Im Vergleich zu den besten elektrostatischen Kondensatoren heute haben diese Mikrokondensatoren eine neunmal höhere Energiedichte und eine 170-mal höhere Leistungsdichte (80 mJ-cm-2 bzw. 300 kW-cm-2). ).

„Die Energie- und Leistungsdichte, die wir erhalten haben, ist viel höher als wir erwartet hatten“, sagte Salahuddin. „Wir entwickeln seit vielen Jahren Materialien mit negativer Kapazität, aber diese Ergebnisse waren ziemlich überraschend.“

Diese Hochleistungs-Mikrokondensatoren könnten dazu beitragen, den wachsenden Bedarf an effizienter, miniaturisierter Energiespeicherung in Mikrogeräten wie Internet-of-Things-Sensoren, Edge-Computing-Systemen und Prozessoren für künstliche Intelligenz zu decken. Die Forscher arbeiten nun daran, die Technologie zu skalieren und in Mikrochips in Originalgröße zu integrieren. Außerdem treiben sie die grundlegende Materialwissenschaft voran, um die negative Kapazität dieser Filme noch weiter zu verbessern.

„Mit dieser Technologie können wir endlich damit beginnen, Energiespeicherung und Stromversorgung nahtlos integriert auf dem Chip in sehr kleinen Größen zu realisieren“, sagte Cheema. „Es kann ein neues Reich der Energietechnologien für die Mikroelektronik eröffnen.“

Teile dieser Arbeit wurden in der Molecular Foundry durchgeführt, einer nanowissenschaftlichen Nutzereinrichtung des DOE Office of Science im Berkeley Lab.

Diese Forschung wurde vom Office of Science des Energieministeriums, dem Office of Basic Energy Sciences, der Defense Threat Reduction Agency (DTRA) und dem Verteidigungsminister für Forschung und Technik unterstützt.

Von Alison Hatt, Lawrence Berkeley National Laboratory

Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hat sich zum Ziel gesetzt, Lösungen für die Menschheit durch Forschung in den Bereichen saubere Energie, einen gesunden Planeten und Entdeckungswissenschaft zu liefern. Das Berkeley Lab und seine Wissenschaftler wurden 1931 mit der Überzeugung gegründet, dass die größten Probleme am besten von Teams gelöst werden können, und wurden mit 16 Nobelpreisen ausgezeichnet. Forscher aus der ganzen Welt verlassen sich für ihre eigene bahnbrechende Forschung auf die erstklassigen wissenschaftlichen Einrichtungen des Labors. Berkeley Lab ist ein nationales Multiprogrammlabor, das von der University of California für das Office of Science des US-Energieministeriums verwaltet wird.

Das Office of Science des DOE ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Für weitere Informationen, besuchen Sie bitte energie.gov/science.