新しい極薄コンデンサはエネルギーを可能にする可能性がある

最新のデバイスに動力を供給するシリコンベースのコンピューターチップ動作するには膨大なエネルギーが必要です。 コンピューティング効率は向上し続けているにもかかわらず、情報技術は 2030 年までに生産されるすべての一次エネルギーの約 25% を消費すると予測されています。マイクロエレクトロニクスおよび材料科学コミュニティの研究者は、コンピューティング能力に対する世界的な需要を持続的に管理する方法を模索しています。

このデジタル需要を削減するための聖杯は、はるかに低い電圧で動作するマイクロエレクトロニクスを開発することであり、これにより必要なエネルギーが少なくなり、今日の最先端の CMOS (相補型金属酸化膜半導体) を超える取り組みの主な目標となります。デバイス。

メモリおよびロジックデバイスにとって魅力的な特性を備えた非シリコン材料が存在します。 しかし、それらの一般的なバルク形状は依然として操作に大きな電圧を必要とするため、現代の電子機器と互換性がありません。 低い動作電圧で良好に動作するだけでなく、マイクロ電子デバイスに実装できる薄膜代替品を設計することは依然として課題です。

今回、ローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）とカリフォルニア大学バークレー校の研究者チームは、次世代デバイスにまさに必要な特性を備えたよく知られた材料の薄層バージョンを合成することにより、エネルギー効率の高いルートを特定しました。 。

80 年以上前に初めて発見されたチタン酸バリウム (BaTiO3) は、電子回路、超音波発生器、トランスデューサー、さらにはソナー用のさまざまなコンデンサーに使用されています。

この材料の結晶は小さな電場に素早く反応し、印加された電場が取り除かれた場合でも、材料を構成する荷電原子の向きを可逆的かつ永続的に反転させます。 これにより、ロジックおよびメモリ ストレージ デバイスでよく知られている「0」と「1」の状態を切り替える方法が提供されますが、それでもそのためには 1,000 ミリボルト (mV) を超える電圧が必要です。

マイクロチップでの使用にこれらの特性を利用しようと、バークレー研究所主導のチームは、厚さわずか 25 ナノメートル (人間の髪の毛の幅の 1,000 分の 1 以下) の BaTiO3 膜を作成する経路を開発しました。その膜では、荷電原子の向き、つまり分極が次のように切り替わります。バルクバージョンと同様に、迅速かつ効率的に実行できます。

「私たちは BaTiO3 について 1 世紀の大半を前から知っており、この材料の薄膜の製造方法を 40 年以上知っていました。しかしこれまで、誰もその構造や性能に近づくことができる膜を作ることができませんでした。それは大量に達成できるだろう」と、バークレー研究所の材料科学部門（MSD）の科学者であり、この研究を主導したカリフォルニア大学バークレー校の材料科学および工学教授であるレーン・マーティン氏は語った。

バークレー研究所「ムーアの法則を超えて」この取り組みは、メモリ要素の超低電力ロジックへの経路を特定することを目的としています。 「私たちは低電圧動作に到達する必要があります。それがエネルギーを拡大するものだからです」と、バークレー研究所の上級研究員であり、カリフォルニア大学バークレー校の物理学および材料科学および工学の教授である共著者のラマモーシー・ラメシュ氏は述べた。 「この研究は、関連するプラットフォーム上で、電圧 100 mV 未満のモデル材料である BaTiO3 のスイッチング場を初めて実証しました。」

歴史的に、合成の試みにより、バルクバージョンと比較して、高濃度の「欠陥」（材料の構造が理想的なバージョンと異なる点）を含むフィルムが生成されてきました。 このような高濃度の欠陥は、薄膜の性能に悪影響を及ぼします。 Martin らは、これらの欠陥を制限するフィルムを成長させるアプローチを開発しました。 この研究結果は、Nature Materials 誌に掲載されました。

欠陥の少ない最良の BaTiO3 薄膜を製造するために何が必要かを理解するために、研究者らはパルス レーザー蒸着と呼ばれるプロセスに注目しました。 BaTiO3 のセラミックターゲットに紫外レーザー光の強力なビームを照射すると、材料がプラズマに変化し、原子がターゲットから表面に伝達されて膜が成長します。 「これは、フィルムの成長において多くのノブを微調整し、特性を制御するためにどれが最も重要であるかを確認できる多用途のツールです」とマーティン氏は述べています。

Martin らは、自分たちの方法により、堆積膜の構造、化学的性質、厚さ、および金属電極との界面を正確に制御できることを示しました。 研究者らは、蒸着された各サンプルを半分に切り刻み、バークレー研究所の分子鋳造所にある国立電子顕微鏡観察センターのツールを使用してその構造を原子ごとに観察することで、バルクの極薄スライスを正確に模倣したバージョンを明らかにした。

「すべてを知っていると思っていた古典的な素材を、新しいアプローチで作り、特徴づけることでひっくり返すことができると考えるのは楽しいです」とマーティン氏は語った。

最後に、マーティン氏と彼のチームは、2 つの金属層の間に BaTiO3 のフィルムを配置することにより、回路内でエネルギーを急速に蓄えたり放出したりする電子部品である小さなコンデンサーを作成しました。 100 mV 以下の電圧を印加し、生じる電流を測定したところ、フィルムの分極は 10 億分の 2 秒以内に切り替わり、今日のコンピューターがメモリにアクセスしたり計算を実行したりするのに必要な速度に匹敵する、より高速な可能性があることがわかりました。

この研究は、スイッチング電圧が小さい材料を作成し、デバイスに必要な金属コンポーネントとの界面がそのような材料にどのような影響を与えるかを調べるという大きな目標に従っています。 「これは、今日のシリコンベースのエレクトロニクスで可能なことを超える低電力エレクトロニクスの追求において、初期の良い勝利です」とマーティン氏は述べています。

「私たちの新しいデバイスとは異なり、今日のチップで使用されているコンデンサは、電圧を印加し続けない限りデータを保持しません」とマーティン氏は述べた。 また、現在の技術は一般に 500 ～ 600 mV で動作しますが、薄膜バージョンは 50 ～ 100 mV 以下で動作する可能性があります。 これらの測定を総合すると、電圧と分極の堅牢性の最適化が成功していることが実証されています。これらは、特に薄い材料ではトレードオフになる傾向があります。

次にチームは、材料をさらに薄く縮小してコンピュータの実際のデバイスと互換性を持たせ、その小さな寸法で材料がどのように動作するかを研究する予定です。 同時に、インテル社などの企業の協力者と協力して、第一世代の電子機器での実現可能性をテストする予定だ。 「コンピュータの各論理演算を100万倍効率化できたら、どれだけエネルギーを節約できるか考えてみてください。それが私たちがこれを行っている理由です」とマーティン氏は語った。

この研究は、米国エネルギー省 (DOE) 科学局の支援を受けました。 Molecular Foundry は、バークレー研究所にある DOE Science Office のユーザー施設です。