Ingeniører jobber med nytt materiale for databrikker

Mengden energi som brukes til databehandling stiger med en eksponentiell hastighet. Business intelligence og konsulentselskapet Enerdata rapporterer at informasjon, kommunikasjon og teknologi står for 5% til 9% av det totale strømforbruket på verdensbasis.

Hvis veksten fortsetter uforminsket, kan databehandling kreve opptil 20 % av verdens kraftproduksjon innen 2030. Med kraftnett som allerede er belastet fra værrelaterte hendelser og økonomien går over fra fossilt brensel til fornybar energi, trenger ingeniører desperat å flate ut databehandlingens energibehovskurve .

Medlemmer av Jon Ihlefelds multifunksjonelle tynnfilmgruppe gjør sitt. De undersøker et materialsystem som vil tillate halvlederindustrien å samlokalisere beregning og minne på en enkelt brikke.

“Akkurat nå har vi en databrikke som utfører dataaktivitetene sine med litt minne på seg,” sa Ihlefeld, førsteamanuensis i materialvitenskap og ingeniørfag og elektro- og datateknikk ved University of Virginia School of Engineering and Applied Science.

Hver gang databrikken vil snakke med minnet i den større minnebanken, sender den et signal nedover linjen, og det krever energi. Jo lengre avstand, jo mer energi tar det. I dag kan avstanden være ganske lang – opptil flere centimeter.

“I en perfekt verden ville vi få dem i direkte kontakt med hverandre,” sa Ihlefeld.

Det krever minnematerialer som er kompatible med resten av den integrerte kretsen. En klasse materialer som er egnet for minneenheter er ferroelektrisk, noe som betyr at de kan holde og frigjøre en ladning på forespørsel. Imidlertid er de fleste ferroelektriske stoffer inkompatible med silisium og fungerer ikke bra når de gjøres veldig små, en nødvendighet for moderne og fremtidige miniatyriserte enheter.

Forskere i Ihlefelds laboratorium leker matchmaker. Forskningen deres fremmer materialer med elektrisk og optiske egenskaper som gjør moderne beregning og kommunikasjon mulig, en forskningsstyrke ved Institutt for materialvitenskap og ingeniørvitenskap. De spesialiserer seg også på fabrikasjon og karakterisering av en rekke materialer, en forskningsstyrke ved Charles L. Brown Department of Electrical and Computer Engineering.

Materialet deres av interesse er hafniumoksid, som brukes i produksjonen av mobiltelefoner og datamaskiner i dag. Ulempen er at i sin naturlige tilstand er hafniumoksid ikke ferroelektrisk.

Et tips til Shelby Fields

I løpet av de siste 11 årene har det blitt kjent at hafniumoksidets atomer kan manipuleres for å produsere og holde en ferroelektrisk fase, eller struktur. Når en tynn film av hafniumoksid varmes opp, en prosess som kalles annealing, kan atomene bevege seg inn i det krystallografiske mønsteret til et ferroelektrisk materiale; når den tynne filmen er avkjølt, setter dens krystallinske struktur seg på plass.

Hvorfor dannelsen av den ferroelektriske fasen skjer har vært gjenstand for mange spekulasjoner. Shelby Fields, som fikk en Ph.D. i material science engineering fra UVA i år, publiserte en landemerkestudie for å forklare hvordan og hvorfor hafniumoksid dannes i sin nyttige, ferroelektriske fase.

Fields papir, Origin of Ferroelectric Phase Stabilization via the Clamping Effect in Ferroelectric Hafnium Zirconium Oxide Thin Films, publisert i august i Avanserte elektroniske materialer, illustrerer hvordan man stabiliserer en hafniumoksid-basert tynn film når den er klemt mellom et metallsubstrat og en elektrode. Tidligere forskning fant at mer av filmen stabiliserer seg i den ferroelektriske krystallinske fasen når toppelektroden er på plass for termisk gløding og avkjøling.

“Samfunnet hadde alle slags forklaringer på hvorfor dette er, og det viser seg at vi tok feil,” sa Fields. “Vi trodde den øverste elektroden utøvde en slags mekanisk påkjenning, som strålte sideveis over elektrodens plan, som hindret hafniumoksidet i å strekke seg ut og gå tilbake til sin naturlige, ikke-ferroelektriske tilstand. Min forskning viser at den mekaniske spenningen beveger seg ut. av plan; elektroden har en klemeffekt.”

Hele sandwichen – underlaget, tynnfilmen og elektroden – er en kondensator, og dette funnet kan meget vel endre materialene som halvlederprodusenter velger som elektroder.

“Nå forstår vi hvorfor det øverste laget er en så viktig vurdering. Nedover linjen, folk som ønsker å integrere databehandling og minne på en enkelt brikke må tenke på alle behandlingstrinn mer nøye,” sa Fields.

Fields’ papir oppsummerer det avsluttende kapittelet i avhandlingsforskningen hans. I tidligere publisert forskning demonstrerte Fields teknikker for å måle svært tynne filmer og mekaniske påkjenninger; de minimale materialene gjorde spenningsmålinger eksperimentelt vanskelige.

Bidragsytere i dette samarbeidsforskning inkludere gruppemedlemmene Samantha Jaszewski, Ale Salanova og Takanori Mimura samt Wesley Cai og Brian Sheldon fra Brown University, David Henry fra Sandia National Labs, Kyle Kelley fra Oak Ridge National Lab, og Helge Heinrich fra UVAs Nanoscale Materials Characterization Facility.

“Vi ønsket å gå utover anekdotiske beskrivelser og gi data for å sikkerhetskopiere vår karakterisering av materialets oppførsel,” sa Fields. “Jeg er glad for at vi kunne gi samfunnet større klarhet angående denne klemeffekten. Vi vet at topplaget betyr mye, og vi kan konstruere det øverste laget for å forbedre klemeffekten, og kanskje konstruere det nederste laget for å hjelpe med denne effekten, Muligheten til å utnytte en enkelt eksperimentell variabel for å kontrollere den krystallinske fasen ville være en stor fordel for halvlederfeltet. Jeg vil gjerne ha noen til å stille og svare på det spørsmålet.”

O markerer stedet

At noen kan være Samantha Jaszewski, en Ph.D. student i materialvitenskap og ingeniørfag og medlem av Ihlefelds forskningsgruppe for multifunksjonell tynnfilm. Jaszewski ønsker også å forstå hva som bidrar til stabiliteten til hafniumoksids ferroelektriske fase og hvordan brikkedesignere kan kontrollere materialets oppførsel.

Jaszewskis forskning fokuserer på atomsammensetningen av hafniumoksid i dens naturlige og ferroelektriske fase, med spesiell oppmerksomhet på oksygenatomenes rolle. Studien hennes, Impact of Oxygen Content on Phase Constitution and Ferroelectric Behavior of Hafnium Oxide Thin Films Deposited by Reactive High-Power Impulse Magnetron Sputtering, er publisert i oktober 2022-utgaven av Journal of Materials.

Hafniumoksid, som navnet antyder, er sammensatt av hafnium- og oksygenatomer. “Noen ganger mangler vi disse oksygenatomene på visse steder, og det bidrar til å stabilisere den ferroelektriske fasen,” sa Jaszewski.

Den naturlige, ikke-ferroelektriske tilstanden kan tolerere en rekke av disse oksygenvakansene, men ikke så mange som nødvendig for å stabilisere den ferroelektriske fasen. Den nøyaktige konsentrasjonen og plasseringen av ledige oksygenplasser som gjør hafniumoksid ferroelektrisk har vist seg unnvikende fordi det ikke er mange verktøy tilgjengelig for å gjøre en definitiv måling.

Jaszewski jobbet rundt dette problemet ved å bruke flere forskjellige teknikker for å måle oksygenvakanser i teamets tynne filmer og korrelerte det med ferroelektriske egenskaper. Hun oppdaget at den ferroelektriske fasen krever et mye høyere antall ledige oksygenplasser enn tidligere antatt.

Røntgenfotoelektronspektroskopi var det første verktøyet for å beregne konsentrasjoner av ledig oksygen. Jaszewski oppdaget at det er medvirkende faktorer utover det brukere av denne spektroskopiteknikken typisk måler, noe som fører til en enorm undertelling av ledige oksygenplasser.

Jaszewskis eksperimenter avslører også at oksygenvakanser kan være en av, om ikke de, viktigste parameterne for å stabilisere den ferroelektriske fasen av materialet. Mer forskning må gjøres for å forstå hvordan de ledige stillingene eksisterer. Hun vil også gjerne ha andre forskerteam til å måle oksygen ledigheten ved å bruke metoden hennes for å validere funnene hennes.

Jaszewskis forskning omstøter konvensjonell visdom, som antydet at størrelsen på krystallen – kalt et korn – er det som stabiliserer hafniumoksidet. Jaszewski laget tre prøver med like kornstørrelser og forskjellige oksygenvakanskonsentrasjoner. Forskningen hennes viser at fasene som er tilstede i disse prøvene varierte, noe som fører til konklusjonen at oksygenvakanskonsentrasjon er viktigere enn kornstørrelse.

Jaszewski var førsteforfatter av papiret, som var medforfatter av gruppemedlemmene Fields og Salanova med samarbeidspartnere i mange forskningsgrupper innenfor og utenfor UVA. Jaszewskis forskning er finansiert av hennes National Science Foundation-graduate stipendiat og Semiconductor Research Corporation.

Jaszewski utdyper sin undersøkelse av hafniumoksider for å forklare materialets respons på påføringen av et elektrisk felt. I halvlederindustrien omtales dette fenomenet som oppvåkning og tretthet.

“Når du bruker et elektrisk felt på dette materialet, øker de ferroelektriske egenskapene, eller “våkne opp.” Når du fortsetter å bruke det elektriske feltet, forringes de ferroelektriske egenskapene, i en prosess kjent som tretthet,” sa Jaszewski.

Hun har funnet ut at når en elektrisk felt brukes i utgangspunktet, øker den den ferroelektriske strukturen, men det er avtagende avkastning.

“Når du fortsetter å bruke feltet, forringes de ferroelektriske egenskapene,” sa Jaszewski.

Neste steg er å undersøke hvordan oksygenatomenes koreografi i materialet bidrar til oppvåkning og tretthet, noe som krever studier av hvor ledige stillinger befinner seg dynamisk.

“Disse landemerkestudiene forklarer hvorfor ferroelektrisk hafniumoksid eksisterer og hvordan det stabiliserer seg,” sa Ihlefeld. “Basert på disse nye funnene kan vi konstruere tynne filmer av hafniumoksid til å være enda mer stabile og yte enda bedre i en faktisk applikasjon. Ved å gjøre denne grunnleggende forskningen kan vi hjelpe halvlederfirmaer med å forstå opprinnelsen til problemer og hvordan de kan forhindre dem i fremtiden produksjonslinjer.”

---

---

Levert av University of Virginia School of Engineering and Applied Science