Gli ingegneri lavorano su nuovo materiale per i chip dei computer

Acta Materialia (2022). DOI: 10.1016/j.actamat.2022.118220″ width=”800″ height=”319″/>

La quantità di energia utilizzata per l’elaborazione sta aumentando a una velocità esponenziale. La società di business intelligence e consulenza Enerdata riporta che le informazioni, le comunicazioni e la tecnologia rappresentano dal 5% al ​​9% del consumo totale di elettricità in tutto il mondo.

Se la crescita continua senza sosta, l’informatica potrebbe richiedere fino al 20% della produzione mondiale di energia entro il 2030. Con le reti elettriche già sotto pressione a causa di eventi meteorologici e l’economia che sta passando dai combustibili fossili alle energie rinnovabili, gli ingegneri hanno un disperato bisogno di appiattire la curva della domanda di energia dell’informatica .

I membri del gruppo multifunzionale di film sottili di Jon Ihlefeld stanno facendo la loro parte. Stanno studiando un sistema materiale che consentirà all’industria dei semiconduttori di co-localizzare computazione e memoria su un singolo chip.

“In questo momento abbiamo un chip per computer che svolge le sue attività informatiche con un po’ di memoria”, ha affermato Ihlefeld, professore associato di scienza dei materiali e ingegneria e ingegneria elettrica e informatica presso la University of Virginia School of Engineering and Applied Science.

Ogni volta che il chip del computer vuole parlare con il banco di memoria più grande, invia un segnale lungo la linea e ciò richiede energia. Maggiore è la distanza, maggiore è l’energia necessaria. Oggi la distanza può essere abbastanza lontana, fino a diversi centimetri.

“In un mondo perfetto, li metteremmo in contatto diretto tra loro”, ha detto Ihlefeld.

Ciò richiede materiali di memoria compatibili con il resto del circuito integrato. Una classe di materiali adatti per i dispositivi di memoria sono i ferroelettrici, il che significa che possono trattenere e rilasciare una carica su richiesta. Tuttavia, la maggior parte dei materiali ferroelettrici sono incompatibili con il silicio e non funzionano bene quando sono molto piccoli, una necessità per i dispositivi miniaturizzati moderni e futuri.

I ricercatori nel laboratorio di Ihlefeld stanno giocando a matchmaker. La loro ricerca fa avanzare materiali con proprietà elettriche e ottiche che rendono possibile il calcolo e la comunicazione moderni, un punto di forza della ricerca del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali. Sono inoltre specializzati nella fabbricazione e caratterizzazione di una gamma di materiali, un punto di forza della ricerca del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica di Charles L. Brown.

Il loro materiale di interesse è l’ossido di afnio, che viene utilizzato oggi nella produzione di telefoni cellulari e computer. Lo svantaggio è che nel suo stato naturale, l’ossido di afnio non è ferroelettrico.

Un consiglio a Shelby Fields

Negli ultimi 11 anni, è diventato noto che gli atomi di ossido di afnio possono essere manipolati per produrre e mantenere una fase o struttura ferroelettrica. Quando un film sottile di ossido di afnio viene riscaldato, un processo chiamato ricottura, i suoi atomi possono spostarsi nel modello cristallografico di un materiale ferroelettrico; quando il film sottile viene raffreddato, la sua struttura cristallina si stabilizza.

Il motivo per cui avviene la formazione della fase ferroelettrica è stato oggetto di molte speculazioni. Shelby Fields, che ha conseguito un dottorato di ricerca. in ingegneria della scienza dei materiali da UVA quest’anno, ha pubblicato uno studio fondamentale per spiegare come e perché l’ossido di afnio si forma nella sua utile fase ferroelettrica.

Documento di Fields, Origin of Ferroelectric Phase Stabilization via the Clamping Effect in Ferroelectric Hafnium Zirconium Oxide Thin Films, pubblicato ad agosto in Materiali elettronici avanzati, illustra come stabilizzare una pellicola sottile a base di ossido di afnio quando è inserita tra un substrato metallico e un elettrodo. Ricerche precedenti hanno scoperto che una parte maggiore del film si stabilizza nella fase cristallina ferroelettrica quando l’elettrodo superiore è in posizione per la ricottura termica e il raffreddamento.

“La comunità ha avuto ogni sorta di spiegazioni sul perché questo è, e si è scoperto che ci sbagliavamo”, ha detto Fields. “Pensavamo che l’elettrodo superiore esercitasse una sorta di stress meccanico, irradiandosi lateralmente sul piano dell’elettrodo, che impediva all’ossido di afnio di allungarsi e tornare al suo stato naturale, non ferroelettrico. La mia ricerca mostra che lo stress meccanico si allontana di piano; l’elettrodo ha un effetto di bloccaggio.”

L’intero sandwich – il substrato, il film sottile e l’elettrodo – è un condensatore e questa scoperta potrebbe benissimo alterare i materiali che i produttori di semiconduttori scelgono come elettrodi.

“Ora capiamo perché il livello superiore è una considerazione così importante. In futuro, le persone che desiderano integrare informatica e memoria su un singolo chip dovranno pensare a tutte le fasi di elaborazione con maggiore attenzione”, ha affermato Fields.

L’articolo di Fields riassume il capitolo conclusivo della sua tesi di ricerca. In precedenti ricerche pubblicate, Fields ha dimostrato tecniche per misurare film molto sottili e sollecitazioni meccaniche; i minuscoli materiali hanno reso le misurazioni dello stress sperimentalmente difficili.

I contributori di questa ricerca collaborativa includono i membri del gruppo Samantha Jaszewski, Ale Salanova e Takanori Mimura, nonché Wesley Cai e Brian Sheldon della Brown University, David Henry dei Sandia National Labs, Kyle Kelley dell’Oak Ridge National Lab e Helge Heinrich della UVA’s Nanoscale Materials Struttura di caratterizzazione.

“Volevamo andare oltre le descrizioni aneddotiche e fornire dati a sostegno della nostra caratterizzazione del comportamento del materiale”, ha affermato Fields. “Sono lieto di aver potuto fornire alla comunità maggiore chiarezza in merito a questo effetto di bloccaggio. Sappiamo che lo strato superiore conta molto e possiamo progettare quello strato superiore per migliorare l’effetto di bloccaggio, e forse progettare lo strato inferiore per aiutare con questo effetto, anche. La possibilità di sfruttare una singola variabile sperimentale per controllare la fase cristallina sarebbe un enorme vantaggio per il campo dei semiconduttori. Mi piacerebbe che qualcuno facesse e rispondesse a questa domanda”.

Segna il punto

Che qualcuno potrebbe essere Samantha Jaszewski, un dottorato di ricerca. studente di scienze dei materiali e ingegneria e membro del gruppo di ricerca sui film sottili multifunzionali di Ihlefeld. Jaszewski vuole anche capire cosa contribuisce alla stabilità della fase ferroelettrica dell’ossido di afnio e come i progettisti di chip possono controllare il comportamento del materiale.

La ricerca di Jaszewski si concentra sulla composizione atomica dell’ossido di afnio nella sua fase naturale e ferroelettrica, con particolare attenzione al ruolo degli atomi di ossigeno. Il suo studio, Impact of Oxygen Content on Phase Constitution and Ferroelectric Behaviour of Hafnium Oxide Thin Films Deposited by Reactive High-Power Impulse Magnetron Sputtering, è pubblicato nel numero di ottobre 2022 di Acta Materiali.

L’ossido di afnio, come suggerisce il nome, è composto da atomi di afnio e ossigeno. “A volte ci mancano quegli atomi di ossigeno in determinati punti, e questo aiuta a stabilizzare la fase ferroelettrica”, ha detto Jaszewski.

Lo stato naturale, non ferroelettrico, può tollerare un certo numero di queste vacanze di ossigeno, ma non tanto quanto necessario per stabilizzare la fase ferroelettrica. L’esatta concentrazione e posizione delle vacanze di ossigeno che rende l’ossido di afnio ferroelettrico si è rivelata sfuggente perché non ci sono molti strumenti disponibili per effettuare una misurazione definitiva.

Jaszewski ha risolto questo problema utilizzando diverse tecniche per misurare le vacanze di ossigeno nei film sottili del team e correlarlo con le proprietà ferroelettriche. Ha scoperto che la fase ferroelettrica richiede un numero di posti vacanti di ossigeno molto più alto di quanto si pensasse in precedenza.

La spettroscopia fotoelettronica a raggi X era lo strumento ideale per calcolare le concentrazioni di posti vacanti di ossigeno. Jaszewski ha scoperto che ci sono fattori che contribuiscono al di là di ciò che gli utenti di questa tecnica di spettroscopia tipicamente misurano, portando a una vasta sottostima dei posti vacanti di ossigeno.

Gli esperimenti di Jaszewski rivelano anche che le vacanze di ossigeno possono essere uno dei parametri, se non il più importante, per stabilizzare la fase ferroelettrica del materiale. Sono necessarie ulteriori ricerche per capire come esistono i posti vacanti. Vorrebbe anche che altri gruppi di ricerca misurino i posti vacanti di ossigeno usando il suo metodo per convalidare i suoi risultati.

La ricerca di Jaszewski ribalta la saggezza convenzionale, secondo la quale la dimensione del cristallo, chiamata grano, è ciò che stabilizza l’ossido di afnio. Jaszewski ha realizzato tre campioni con granulometria uguale e diverse concentrazioni di vuoto di ossigeno. La sua ricerca mostra che le fasi presenti in questi campioni variavano, portando alla conclusione che la concentrazione di vuoto di ossigeno è più importante della dimensione del grano.

Jaszewski è stato il primo autore dell’articolo, che è stato co-autore dei membri del gruppo Fields e Salanova con collaboratori in molti gruppi di ricerca all’interno e all’esterno dell’UVA. La ricerca di Jaszewski è finanziata dalla sua borsa di ricerca per laureati della National Science Foundation e dalla Semiconductor Research Corporation.

Jaszewski sta approfondendo la sua ricerca sugli ossidi di afnio per spiegare la risposta del materiale all’applicazione di un campo elettrico. Nell’industria dei semiconduttori, questo fenomeno è indicato come risveglio e affaticamento.

“Quando si applica un campo elettrico a questo materiale, le proprietà ferroelettriche aumentano, o ‘risveglio’. Mentre continui ad applicare il campo elettrico, le proprietà ferroelettriche si degradano, in un processo noto come fatica”, ha detto Jaszewski.

Ha scoperto che quando un campo elettrico viene inizialmente applicato, aumenta la struttura ferroelettrica, ma ci sono rendimenti decrescenti.

“Man mano che si continua ad applicare il campo, le proprietà ferroelettriche si degradano”, ha detto Jaszewski.

Il passo successivo è studiare come la coreografia degli atomi di ossigeno nel materiale contribuisce al risveglio e alla fatica, il che richiede lo studio dinamico di dove si trovano i posti vacanti.

“Questi studi storici spiegano perché esiste l’ossido di afnio ferroelettrico e come si stabilizza”, ha detto Ihlefeld. “Sulla base di queste nuove scoperte, possiamo progettare film sottili di ossido di afnio in modo che siano ancora più stabili e funzionino ancora meglio in un’applicazione reale. Facendo questa ricerca fondamentale possiamo aiutare le aziende di semiconduttori a capire l’origine dei problemi e come prevenirli nel future linee di produzione.”

Fornito dalla University of Virginia School of Engineering and Applied Science