Lawrence Berkeley National Laboratory

Mit Bariumtitanat zu extrem energiesparenden Mikrochips

28. Juni 2022, 11:18 Uhr | Ralf Higgelke
Lane Martin, Barium Titanate, Capacitor
Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen die genaue Atom-zu-Atom-Struktur eines dünnen Films aus Bariumtitanat (BaTiO3). Dieser ist zwischen Schichten aus Strontiumruthenat (SrRuO3) eingebettet, um einen winzigen Kondensator zu bilden.
© Lane Martin/Berkeley Lab

Einem Team der Berkeley Labs ist es gelungen, Bariumtitanat so abzuscheiden, dass sich damit Speicherzellen fertigen lassen könnten, die mit einer Betriebsspannung von 50 bis 100 mV funktionieren könnten. Damit ließe sich im Vergleich zu heutigen CMOS-Schaltungen viel Energie einsparen.

Im Jahr 2030 dürfte die Informationstechnologie rund 25 Prozent der insgesamt bereitgestellten Primärenergie benötigen. Daher suchen Forschende in den Bereichen Mikroelektronik und Materialwissenschaften nach Wegen, um den weltweiten Bedarf an Rechenleistung auf nachhaltige Weise zu decken. Der Königsweg besteht darin, Mikroelektronik zu entwickeln, die mit viel niedrigeren Spannungen arbeitet, sodass weniger Energie erforderlich ist.

Jetzt hat ein Forschungsteam des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und der University of California Berkeley einen solchen Weg aufgezeigt – durch die Synthese einer neuartigen Dünnschichtvariante von Bariumtitanat (BaTiO3). Dieses Keramikmaterial wurde vor mehr als 80 Jahren entdeckt und kommt in Keramikkondensatoren (MLCCs), Ultraschallgeneratoren und -wandlern sowie Sonaren zum Einsatz.

Hohe Defektdichte als Hindernis

Bariumtitanat reagiert empfindlich auf kleine elektrische Felder und ändert die Ausrichtung der geladenen Atome reversibel, aber dauerhaft, auch wenn das angelegte Feld abgeschaltet wird. Auf diese Weise können Speicherzellen in Logik- und Speicherbausteinen zwischen den Logik-Zuständen umgeschaltet werden. Allerdings waren bislang dafür Spannungen von mehr als 1000 mV erforderlich. In der Vergangenheit führten Syntheseversuche zu Filmen, bei denen die Defektdichte im Kristall höher war als bei den Bulk-Versionen. Dies beeinträchtigt die Eigenschaften der dünnen Schichten.

Um zu verstehen, was nötig ist, um hochwertige dünne BaTiO3-Schichten mit möglichst geringen Defekten herzustellen, wandten die Forscher die gepulste Laserabscheidung (Pulsed-Laser Deposition) an. Durch den Beschuss eines keramischen BaTiO3-Targets mit einem starken UV-Laserstrahl geht das Material in ein Plasma über. Dadurch lassen sich Atome aus dem Target auf eine Oberfläche abscheiden, um die Schicht zu erzeugen. »Dies ist ein vielseitiges Werkzeug, mit dem wir viele Stellschrauben beim Filmwachstum justieren können, um zu sehen, welche davon am wichtigsten sind, um die Eigenschaften zu steuern«, so Lane Martin, Wissenschaftler in der Materials Sciences Division am Berkeley Lab und Professor für Materialwissenschaften und -technik an der UC Berkeley, der die Arbeit leitete.

Martin und sein Team konnten zeigen, dass sie mit ihrer Methode die Struktur, Chemie und Dicke des abgeschiedenen Films sowie die Grenzflächen zu den metallischen Elektroden genau kontrollieren können. Indem sie jede abgeschiedene Probe zerschnitten und ihre Struktur Atom für Atom mit Hilfe von Werkzeugen des Nationalen Zentrums für Elektronenmikroskopie an der Molecular Foundry des Berkeley Lab untersuchten, fanden die Forscher eine Version, die eine extrem dünne Schicht des Bulks genau nachahmte.

Versorgungsspannung unter 100 mV möglich

Indem das Team einen 25 nm dünnen Film aus BaTiO3 zwischen zwei Metallschichten aus Strontiumruthenat (SrRuO3) anordnete, schuf es winzige Kondensatoren – die elektronischen Komponenten, aus denen Speicherzellen im Mikrochips bestehen. Das Anlegen von Spannungen von 100 mV oder weniger und die Messung des entstehenden Stroms zeigten, dass sich die Polarisierung des Films innerhalb von 2 ns änderte und möglicherweise noch schneller sein könnte – vergleichbar mit den Geschwindigkeiten, die heutige Computer benötigen, um auf Speicher zuzugreifen oder Rechenoperationen durchzuführen.

Diese Arbeit verfolgt das übergeordnete Ziel, Materialien mit kleinen Schaltspannungen zu schaffen und zu untersuchen, wie sich die Schnittstellen zu den für die Bauelemente erforderlichen metallischen Bestandteilen darauf auswirken. »Dies ist ein guter erster Erfolg in unserem Streben nach einer Elektronik mit geringem Stromverbrauch, die über das hinausgeht, was heute mit siliziumbasierter Elektronik möglich ist«, so Martin.

»Anders als unsere neuen Bauelemente verlieren die heute in Chips verwendeten Kondensatoren ihre Daten, wenn man nicht ständig eine Spannung anlegt«, erläutert Martin. Und die derzeitigen Technologien arbeiten im Allgemeinen bei 500 bis 600 mV, während eine Dünnschichtversion bei 50 bis 100 mV oder weniger funktionieren könnte. Diese Messungen weisen darauf hin, dass sich Spannung und Polarisationsstabilität erfolgreich optimieren lassen – was insbesondere bei dünnen Materialien oft ein Zielkonflikt darstellt.

Als Nächstes plant das Team, das Material noch weiter zu verdünnen, um es mit realen Bausteinen in Computern kompatibel zu machen und zu untersuchen, wie es sich in diesen winzigen Dimensionen verhält. Gleichzeitig wollen sie mit Halbleiterherstellern zusammenarbeiten, um die Machbarkeit in elektronischen Bauteilen zu testen. »Wenn man jede logische Operation in einem Computer eine Million Mal effizienter machen könnte, kann man sich vorstellen, wie viel Energie sich dadurch einsparen ließe. Das ist das Motiv, warum wir das tun«, resümiert Martin.

Originalpublikation

Jiang, Y., Parsonnet, E., Qualls, A. et al. Enabling ultra-low-voltage switching in BaTiO3. Nat. Mater. (2022). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01266-6 (abgerufen am 28.6.2022)


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