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Steigerung der Energieeffizienz in der Nanoelektronik: NaMLab-Forscher bestätigen erstmals umstrittene Theorie aus der Materialforschung
Dresdener Wissenschaftler haben eine grundlegende Theorie zu ferroelektrischen Materialien nachgewiesen, wodurch zukünftige Elektronik deutlich effizienter werden könnte.
Abbildung: a) Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahme des Probenquerschnitts mit einer Vergrößerung der Hafnium-Zirkonoxid-Schicht (HZO). b) Vergleich des Experiments mit der Landau-Theorie. Die Abnahme des elektrischen Feldes bei gleichzeitiger Zunahme der Polarisationsladung entspricht einer negativen Kapazität.
Wissenschaftler des Nanoelectronic Materials Laboratory (NaMLab gGmbH) haben mit Unterstützung von Kollegen der Technischen Universität Dresden und des National Institute of Materials Physics in Rumänien gezeigt, dass dünne Schichten aus ferroelektrischem Hafnium-Zirkonoxid die Eigenschaft einer "negativen Kapazität" aufweisen. Das bedeutet, dass solche Materialen eine elektrische Spannung verstärken können. Diese Eigenschaft könnte verwendet werden, um die Verlustleistung zukünftiger elektronischer Schaltungen über die bisher bekannten Grenzen hinaus zu verringern. Obwohl dieses Verhalten schon vor über 70 Jahren vorhergesagt wurde, hielten die meisten Forscher den experimentellen Nachweis bisher für unmöglich. Da die verwendeten Materialien schon heute in jedem modernen Computerchip eingesetzt werden, könnte diese Entdeckung schon bald zur Anwendung in realen Produkten, wie z. B. effizienteren Smartphones oder Computern kommen.
Ermöglicht wurde diese Entdeckung durch die Verwendung von speziellen Kondensatoren, bestehend aus einem Stapel dünnster Schichten, an welche extrem kurze Spannungspulse angelegt wurden. Die Ergebnisse wurden am 14. Januar 2019 in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
"Das faszinierende ist, dass die Materialien, in denen wir diesen vielversprechenden Effekt entdeckt haben, sich schon jetzt in jedem Smartphone befinden. Der nächste wichtige Schritt wird sein, anhand dieser Erkenntnisse neue Bauelemente zu entwickeln, welche in der Theorie viel energieeffizienter sein können als es bisher möglich war.",
, erklärt Michael Hoffmann, Doktorand am NaMLab und Erstautor der Studie.
Hintergrund
Die NaMLab GmbH verfolgt seit 2009 gemeinsam mit anderen Partnern wie Globalfoundries und dem Fraunhofer CNT die Erforschung, Weiterentwicklung und Anwendung von ferroelektrischen Schichten auf der Basis von Hafnium Oxid. Im Unterschied zu klassischen Ferroelektrischen Schichten, die in der Regel sehr komplexe Kristallstrukturen aufweisen, wird Hafniumoxid in der Halbleiterelektronik standardmäßig eingesetzt. Ein derartiges Material wäre somit prädestiniert, um „negative capacitance“ Transistoren zu realisieren. Im Rahmen der Weiterentwicklung dieses Ansatzes ist es nun erstmals gelungen die von er Landau Theorie vorhergesagte S-Kurve messtechnisch zu erfassen und den Bereich der negativen Kapazität nachzuweisen.
„Auch wenn noch weitere Schritte zu gehen sind, ist dieser Nachweis ist ein wesentlicher Schritt zur Fortschreibung der Steigerung der Energieeffizienz in der Nanoelektronik. Damit kommt ein weiterer Impuls in Sachen energieeffizienter Elektronik erneut aus dem Silicon Saxony.“
äußerte sich Prof. Dr. Thomas Mikolajick, Scientific Director des NaMLabs sowie wissenschaftlicher Beirat Silicon Saxony e. V. und Vorstand Cool Silicon e. V.
Über NaMLab
Die "Nanoelectronics Materials Laboratory gGmbH" (NaMLab) wurde im Juli 2006 gegründet. NaMLab ist ein Tochterunternehmen und An-Institut der TU Dresden. NaMLab betreibt am Campus der TU Dresden ein Forschungsgebäude mit vier Laborräumen, einem Reinraumlabor und einem Bürobereich für über 40 Mitarbeiter. NaMLab betreibt Materialforschung zur Anwendung in nanoelektronischen Bauelementen und arbeitet eng mit den Instituten der TU Dresden zusammen.
Weiterführende Links
www.namlab.com
Zur Publikation
Foto: NaMLab