Если рост не ослабнет, к 2030 году на вычислительную технику может потребоваться до 20% мировой выработки электроэнергии. Поскольку электросети уже испытывают нагрузку из-за погодных явлений, а экономика переходит с ископаемого топлива на возобновляемые источники энергии, инженерам отчаянно необходимо выровнять кривую спроса на энергию в вычислительной технике.

Члены многофункциональной группы по производству тонких пленок Джона Илефельда вносят свой вклад. Они исследуют систему материалов, которая позволит полупроводниковой промышленности совместно размещать вычисления и память на одном чипе.

"Прямо сейчас у нас есть компьютерный чип, который выполняет свои вычислительные операции с небольшим объемом памяти", - сказал Илефельд, адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии, а также электротехники и вычислительной техники в Школе инженерных и прикладных наук Университета Вирджинии.

Каждый раз, когда компьютерный чип хочет связаться с памятью большего банка памяти, он посылает сигнал по линии, а это требует энергии. Чем больше расстояние, тем больше энергии на это уходит. Сегодня расстояние может быть довольно большим - до нескольких сантиметров.

"В идеальном мире мы бы поставили их в прямой контакт друг с другом", - сказал Илефельд.

Для этого требуются материалы памяти, совместимые с остальной частью интегральной схемы. Одним из классов материалов, подходящих для устройств памяти, являются сегнетоэлектрики, что означает, что они могут удерживать и высвобождать заряд по требованию. Однако большинство сегнетоэлектриков несовместимы с кремнием и плохо работают, когда сделаны очень маленькими, что необходимо для современных и будущих миниатюрных устройств.

Исследователи из лаборатории Илефельда играют в сваху. Их исследования продвигают материалы с электрическими и оптическими свойствами, которые делают возможными современные вычисления и коммуникации, что является исследовательской силой департамента материаловедения и инженерии. Они также специализируются на изготовлении и характеристике целого ряда материалов, что является исследовательской задачей факультета электротехники и вычислительной техники Чарльза Л. Брауна.

Представляющий для них интерес материал - оксид гафния, который сегодня используется в производстве сотовых телефонов и компьютеров. Недостатком является то, что в своем естественном состоянии оксид гафния не является сегнетоэлектриком.

Кончик шапки в адрес Шелби Филдс

За последние 11 лет стало известно, что атомами оксида гафния можно манипулировать для получения и удержания сегнетоэлектрической фазы, или структуры. Когда тонкая пленка оксида гафния нагревается, процесс, называемый отжигом, его атомы могут перемещаться в кристаллографическую структуру сегнетоэлектрического материала; когда тонкая пленка охлаждается, ее кристаллическая структура устанавливается на место.

Почему происходит образование сегнетоэлектрической фазы, было предметом многих спекуляций. Шелби Филдс, которая в этом году получила степень доктора философии в области материаловедения в UVA, опубликовала знаковое исследование, объясняющее, как и почему оксид гафния превращается в полезную сегнетоэлектрическую фазу.

Статья Филдса "Происхождение стабилизации сегнетоэлектрической фазы посредством эффекта зажима в сегнетоэлектрических тонких пленках оксида гафния-циркония", опубликованная в августе в журнале Advanced Electronic Materials, иллюстрирует, как стабилизировать тонкую пленку на основе оксида гафния, когда она зажата между металлической подложкой и электродом. Предыдущие исследования показали, что большая часть пленки стабилизируется в сегнетоэлектрической кристаллической фазе, когда верхний электрод находится на месте для термического отжига и охлаждения.

"У сообщества были всевозможные объяснения, почему это так, и оказалось, что мы были неправы", - сказал Филдс. "Мы думали, что верхний электрод испытывает какое-то механическое напряжение, распространяющееся поперек плоскости электрода, что не позволяет оксиду гафния растягиваться и возвращаться в свое естественное, несегнетоэлектрическое состояние. Мои исследования показывают, что механическое напряжение смещается за пределы плоскости; электрод оказывает зажимающее действие".

Весь сэндвич - подложка, тонкая пленка и электрод - представляет собой конденсатор, и это открытие вполне может изменить материалы, которые производители полупроводников выбирают в качестве электродов.

"Теперь мы понимаем, почему верхний слой является таким важным фактором. В дальнейшем людям, которые хотят интегрировать вычисления и память на одном чипе, придется более тщательно продумать все этапы обработки", - сказал Филдс.

Статья Филдса резюмирует заключительную главу его диссертационного исследования. В предыдущих опубликованных исследованиях Филдс продемонстрировал методы измерения очень тонких пленок и механических напряжений; крошечные материалы затрудняли экспериментальное измерение напряжений.

Участниками этого совместного исследования являются члены группы Саманта Яшевски, Эля Саланова и Таканори Мимура, а также Уэсли Кай и Брайан Шелдон из Университета Брауна, Дэвид Генри из Национальной лаборатории Сандиа, Кайл Келли из Национальной лаборатории Ок-Ридж и Хельге Хайнрих из Центра характеристики наноразмерных материалов UVA. Финансирование, предоставленное исследовательским центром 3D сегнетоэлектрической микроэлектроники Energy Frontier Министерства энергетики США и корпорацией Semiconductor Research Corporation, поддержало исследование.

"Мы хотели выйти за рамки анекдотических описаний и предоставить данные, подтверждающие нашу характеристику поведения материала", - сказал Филдс. "Я рад, что мы смогли внести в сообщество большую ясность относительно этого эффекта зажима. Мы знаем, что верхний слой имеет большое значение, и мы можем спроектировать этот верхний слой, чтобы улучшить эффект зажима, и, возможно, спроектировать нижний слой, чтобы помочь с этим эффектом тоже. Возможность использовать единственную экспериментальную переменную для управления кристаллической фазой была бы огромным преимуществом для области полупроводников. Я бы хотел, чтобы кто-нибудь задал этот вопрос и ответил на него".

O Отмечает место

Этим кем-то может быть Саманта Яшевски, аспирантка факультета материаловедения и инженерии и член исследовательской группы Ihlefeld по исследованию многофункциональных тонких пленок. Яшевский также хочет понять, что способствует стабильности сегнетоэлектрической фазы оксида гафния и как разработчики микросхем могут контролировать поведение материала.

Исследования Яшевского сосредоточены на атомном составе оксида гафния в его естественной и сегнетоэлектрической фазах, с особым вниманием к роли атомов кислорода. Ее знаковое исследование "Влияние содержания кислорода на фазовый состав и сегнетоэлектрическое поведение тонких пленок оксида гафния, нанесенных методом реактивного мощного импульсного магнетронного распыления", опубликовано в октябрьском номере журнала за 2022 год. Минут Материала.

Оксид гафния, как следует из названия, состоит из атомов гафния и кислорода. "Иногда нам не хватает этих атомов кислорода в определенных местах, и это помогает стабилизировать сегнетоэлектрическую фазу", - сказал Яшевский.

Естественное, несегнетоэлектрическое состояние может допускать некоторое количество этих кислородных вакансий, но не столько, сколько необходимо для стабилизации сегнетоэлектрической фазы. Точная концентрация и расположение кислородных вакансий, которые делают оксид гафния сегнетоэлектриком, оказались труднодостижимыми, поскольку существует не так много инструментов для проведения точных измерений.

Яшевский решил эту проблему, используя несколько различных методов для измерения вакансий кислорода в тонких пленках команды, и соотнес это с сегнетоэлектрическими свойствами. Она обнаружила, что сегнетоэлектрическая фаза требует гораздо большего количества кислородных вакансий, чем считалось ранее.

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия была основным инструментом для расчета концентрации кислородных вакансий. Яшевский обнаружил, что существуют факторы, выходящие за рамки того, что обычно измеряют пользователи этого метода спектроскопии, что приводит к значительному занижению количества кислородных вакансий.

Эксперименты Яшевского также показывают, что кислородные вакансии могут быть одним из, если не самым важным, параметров для стабилизации сегнетоэлектрической фазы материала. Необходимо провести дополнительные исследования, чтобы понять, как существуют вакансии. Она также хотела бы, чтобы другие исследовательские группы измерили кислородные вакансии, используя ее метод, чтобы подтвердить ее выводы.

Исследование Яшевского опровергает общепринятую точку зрения, согласно которой размер кристалла, называемого зерном, является тем, что стабилизирует оксид гафния. Яшевский изготовил три образца с одинаковыми размерами зерен и разной концентрацией кислородных вакансий. Ее исследование показывает, что фазы, присутствующие в этих образцах, различались, что приводит к выводу, что концентрация кислородных вакансий важнее размера зерна.

Яшевский был первым автором статьи, которая была написана в соавторстве с членами группы Филдсом и Салановой, а также сотрудниками многих исследовательских групп в UVA и за ее пределами. Исследования Яшевски финансируются ее стипендией для аспирантов Национального научного фонда и корпорацией по исследованию полупроводников.

Яшевски углубляет свои исследования оксидов гафния, чтобы объяснить реакцию материала на воздействие электрического поля. В полупроводниковой промышленности это явление называют пробуждением и усталостью.

"Когда вы прикладываете электрическое поле к этому материалу, сегнетоэлектрические свойства увеличиваются, или "пробуждаются". По мере того, как вы продолжаете прикладывать электрическое поле, сегнетоэлектрические свойства ухудшаются в процессе, известном как усталость", - сказал Яшевский.

Она обнаружила, что при первоначальном приложении электрического поля оно усиливает сегнетоэлектрическую структуру, но отдача уменьшается.

"По мере того, как вы продолжаете применять поле, сегнетоэлектрические свойства ухудшаются", - сказал Яшевский.

Следующим шагом является исследование того, как хореография атомов кислорода в материале способствует пробуждению и усталости, что требует изучения динамического расположения вакансий.

"Эти знаковые исследования объясняют, почему существует сегнетоэлектрический оксид гафния и как он стабилизируется", - сказал Илефельд. "Основываясь на этих новых открытиях, мы можем спроектировать тонкие пленки оксида гафния, которые будут еще более стабильными и еще лучше работать в реальных условиях применения. Проводя это фундаментальное исследование, мы можем помочь фирмам, производящим полупроводники, понять происхождение проблем и способы их предотвращения на будущих производственных линиях".