Mikroelektronik Effektive Mikrokondensatoren für On-Chip-Energiespeicherung ausgetüftelt

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Wissenschaftler entwickelten Mikrokondensatoren mit ultrahoher Energie- und Leistungsdichte. Weil dabei Fertigungsprozesse und Materialien eingesetzt werden, die in der Chipfertigung üblich sind, ebnen die Forscher damit einen interessanten Weg für die Energiespeicherung auf ICs.

Forscher wollen die Energiespeicherung direkt auf Mikrochips integrieren, um bisherige Energieverluste zu reduzieren. Bislang bekannte Vorgehensweisen sind dafür nicht geeignet, da sie weder genug Energie auf kleinem Raum speichern, noch sie wieder schnell abgeben können.

Wissenschaftler des Berkeley Lab und der UC Berkeley haben jetzt allerdings Mikrokondensatoren entwickelt, die durch Hafnium- und Zirkoniumoxid-Dünnschichten rekordverdächtige Energie- und Leistungsdichten erreichen. Diese Kondensatoren nutzen gängige Materialien und Verfahren aus der Chipfertigung, was den Weg für fortschrittliche On-Chip-Energiespeicherung in der Elektronik der nächsten Generation verkürzt.

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„Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, eine Menge Energie in Mikrokondensatoren aus technischen Dünnschichten zu speichern – viel mehr als mit gewöhnlichen Dielektrika möglich ist“, sagt Sayeef Salahuddin, leitender Wissenschaftler am Berkeley Lab und Professor an der UC Berkeley, der das Projekt leitet. „Darüber hinaus machen wir dies mit einem Material, das direkt auf Mikroprozessoren verarbeitet werden kann.“

Kleinere und schnellere Mikroelektronik

Diese Forschungsarbeiten, die in Nature veröffentlicht wurden, sind Teil der umfassenderen Bemühungen des Berkeley Labs, neue Materialien und Techniken für kleinere, schnellere und energieeffizientere Mikroelektronik zu entwickeln. Kondensatoren sind eine der grundlegenden Komponenten elektrischer Schaltungen, können aber auch zur Energiespeicherung verwendet werden. Im Gegensatz zu Batterien, die Energie durch elektrochemische Reaktionen speichern, speichern Kondensatoren Energie in einem elektrischen Feld, das zwischen zwei durch ein dielektrisches Material getrennten Metallplatten aufgebaut wird.

Kondensatoren können bei Bedarf rasch entladen werden, sodass sie schnell Strom liefern. Und sie verschlechtern sich nicht durch wiederholte Lade-/Entladezyklen, sodass sie eine viel längere Lebensdauer haben als Batterien. Allerdings haben Kondensatoren in der Regel eine viel geringere Energiedichte als Batterien, d. h. sie können weniger Energie pro Volumen- oder Gewichtseinheit speichern, und dieses Problem verschärft sich noch, wenn man versucht, sie für die Energiespeicherung auf dem Chip auf Mikrokondensatorgröße zu schrumpfen.

Schichten aus HfO₂-ZrO₂

In diesem Fall entwickelten die Forscher ihre rekordverdächtigen Mikrokondensatoren mittels dünner Schichten aus HfO₂-ZrO₂, um einen negativen Kapazitätseffekt zu erzielen. Normalerweise führt das Übereinanderschichten eines dielektrischen Materials zu einer geringeren Gesamtkapazität. Handelt es sich bei einer dieser Schichten jedoch um ein Material mit negativer Kapazität, so erhöht sich die Gesamtkapazität sogar.

In einer früheren Arbeit haben Salahuddin und Kollegen die Verwendung von Materialien mit negativer Kapazität zur Herstellung von Transistoren demonstriert, die mit wesentlich niedrigeren Spannungen betrieben werden können als herkömmliche MOSFET-Transistoren. In ihrer aktuellen Arbeit nutzten sie die negative Kapazität, um Kondensatoren herzustellen, die größere Mengen an Ladung und damit Energie speichern können.

Die kristallinen Schichten bestehen aus einer Mischung von HfO₂ und ZrO₂, die durch Atomlagenabscheidung unter Verwendung von Standardmaterialien und -techniken aus der industriellen Chipherstellung hergestellt werden. Je nach Verhältnis der beiden Komponenten können die Filme ferroelektrisch sein, d. h. die Kristallstruktur hat eine eingebaute elektrische Polarisation oder antiferroelektrisch, d. h. die Struktur kann durch Anlegen eines elektrischen Feldes in einen polaren Zustand versetzt werden.

Wenn die Zusammensetzung genau richtig abgestimmt ist, bringt das elektrische Feld, das durch das Aufladen des Kondensators erzeugt wird, die Filme am Kipppunkt zwischen ferroelektrischer und antiferroelektrischer Ordnung ins Gleichgewicht, und diese Instabilität führt zu dem negativen Kapazitätseffekt, bei dem das Material selbst durch ein kleines elektrisches Feld unkompliziert polarisiert werden kann.

„Diese Einheitszelle will während des Phasenübergangs wirklich polarisiert werden, was dazu beiträgt, als Reaktion auf ein elektrisches Feld zusätzliche Ladung zu erzeugen“, so Suraj Cheema, Postdoc in Salahuddins Gruppe und einer der Hauptautoren der Arbeit. „Dieses Phänomen ist ein Beispiel für einen negativen Kapazitätseffekt, aber man kann es sich auch als eine Möglichkeit vorstellen, viel mehr Ladung einzufangen, als man normalerweise hätte“, so Nirmaan Shanker, ein Doktorand in Salahuddins Gruppe und Mitautor der Studie.

Schichtdicke mit Gefühl erhöhen

Um die Energiespeicherkapazität der Filme zu erhöhen, musste das Team die Schichtdicke erhöhen, ohne dass sie aus dem frustrierten antiferroelektrischen-ferroelektrischen Zustand heraus entspannen konnten. Sie fanden heraus, dass sie die Filme bis zu einer Dicke von 100 nm wachsen lassen konnten, ohne die gewünschten Eigenschaften zu verlieren, indem sie atomar dünne Schichten aus Aluminiumoxid nach einigen Schichten aus HfO₂-ZrO₂ einbrachten.

In Zusammenarbeit mit Mitarbeitern des MIT Lincoln Laboratory integrierten die Forscher die Filme schließlich in dreidimensionale Mikrokondensatorstrukturen, indem sie die präzise geschichteten Filme in tiefen, in Silizium geschnittenen Gräben mit einem Seitenverhältnis von bis zu 100:1 wachsen ließen. Diese 3D-Graben-Kondensatorstrukturen werden in den heutigen DRAM-Kondensatoren verwendet und können im Vergleich zu planaren Kondensatoren eine viel höhere Kapazität pro Flächeneinheit erreichen, was eine größere Miniaturisierung und Designflexibilität ermöglicht.

Rekordverdächtige Eigenschaften

Die Eigenschaften der resultierenden Bauelemente sind rekordverdächtig: Im Vergleich zu den besten elektrostatischen Kondensatoren haben diese Mikrokondensatoren eine neunmal höhere Energiedichte und eine 170-mal höhere Leistungsdichte (80 mJ-cm-2 oder 300 kW-cm-2). „Die Energie- und Leistungsdichte, die wir erhalten haben, ist viel höher, als wir erwartet haben“, sagte Salahuddin. „Wir entwickeln schon seit vielen Jahren Materialien mit negativer Kapazität, aber diese Ergebnisse haben uns doch sehr überrascht.“

Diese Hochleistungs-Mikrokondensatoren könnten dazu beitragen, die wachsende Nachfrage nach effizienten, miniaturisierten Energiespeichern in Mikrogeräten wie IoT-Sensoren, Edge-Computing-Systemen und Prozessoren für künstliche Intelligenz zu decken. Die Forscher arbeiten nun daran, die Technologie zu skalieren und in Mikrochips in voller Größe zu integrieren sowie die grundlegende Materialwissenschaft voranzutreiben, um die negative Kapazität dieser Filme noch weiter zu verbessern.

„Mit dieser Technologie können wir endlich damit beginnen, Energiespeicherung und Stromversorgung nahtlos auf dem Chip in geringen Größen zu integrieren“, so Cheema. „Sie kann einen neuen Bereich von Energietechnologien für die Mikroelektronik eröffnen.“ (sb)

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