Kondensatoren Ultradünne Keramikkondensatoren aus BaTiO3 für Mikrochips

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Ein Forscherteam des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und der UC Berkeley hat eine Möglichkeit zur Herstellung von BaTiO₃-Filmen gefunden, die nur 25 nm dünn sind und deren Polarisation sehr schnell und effizient umschaltet.

„Wir kennen BaTiO₃ seit fast einem Jahrhundert und wir wissen seit über 40 Jahren, wie man dünne Schichten aus diesem Material herstellt. Aber bis jetzt konnte noch niemand einen Film herstellen, der an die Struktur oder die Leistung herankommt, die in der Massenfertigung erreicht werden kann“, erläutert Lane Martin, Wissenschaftler in der Materials Sciences Division (MSD) am Berkeley Lab und Professor für Materialwissenschaften und Technik an der UC Berkeley, der die Arbeit leitete.

Bisher haben Syntheseversuche zu Filmen geführt, die eine höhere Konzentration von „Defekten“ enthalten. Eine solche hohe Konzentration von Defekten wirkt sich aber negativ auf die Leistung der dünnen Schichten aus. Martin und seine Kollegen entwickelten einen Ansatz für das Wachstum der Filme, der diese Defekte begrenzt. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht.

Um zu verstehen, was nötig ist, um die besten BaTiO₃-Dünnschichten mit geringen Defekten herzustellen, wandten die Forscher ein Verfahren an, das als gepulste Laserabscheidung bezeichnet wird. Wenn ein starker ultravioletter Laserstrahl auf ein keramisches BaTiO₃-Target geschossen wird, verwandelt sich das Material in ein Plasma, das dann Atome aus dem Target auf eine Oberfläche überträgt, um die Schicht zu erzeugen. „Es ist ein vielseitiges Werkzeug, mit dem wir viele Knöpfe beim Wachstum des Films einstellen können, um zu sehen, welche für die Steuerung der Eigenschaften am wichtigsten sind“, so Martin weiter.

Martin und seine Kollegen haben gezeigt, dass sie mit ihrer Methode die Struktur, die Chemie, die Dicke und die Grenzflächen zu den Metallelektroden der abgeschiedenen Schicht genau kontrollieren können. Indem sie jede abgeschiedene Probe in zwei Hälften teilten und ihre Struktur Atom für Atom mit Hilfe von Instrumenten des National Center for Electron Microscopy am Berkeley Lab's Molecular Foundry untersuchten, konnten die Forscher eine Version aufzeigen, die eine extrem dünne Scheibe der Masse genau nachahmt. „Es macht Spaß, sich vorzustellen, dass wir diese klassischen Materialien, von denen wir dachten, wir wüssten alles, mit neuen Ansätzen zur Herstellung und Charakterisierung auf den Kopf stellen können“, so Martin.

Indem sie einen Film aus BaTiO₃ zwischen zwei Metallschichten anordneten, schufen Martin und sein Team winzige Kondensatoren. Das Anlegen von Spannungen von 100 mV oder weniger und die Messung des entstehenden Stroms zeigten, dass sich die Polarisierung des Films innerhalb von zwei Milliardstel Sekunden ändert.

Die Arbeit hat das Ziel, Materialien mit kleinen Schaltspannungen zu schaffen und zu untersuchen, wie sich die Grenzflächen zu den für Geräte notwendigen Metallkomponenten auf solche Materialien auswirken. „Dies ist ein guter erster Erfolg in unserem Streben nach einer Elektronik mit geringem Stromverbrauch, die über das hinausgeht, was heute mit siliziumbasierter Elektronik möglich ist“, betont Martin.

Passive Bauelemente

Keramikkondensatoren steigern Leistungsdichte und Wirkungsgrad

„Im Gegensatz zu unseren neuen Geräten halten die heute in Chips verwendeten Kondensatoren ihre Daten nicht, wenn man nicht ständig eine Spannung anlegt“, erklärt Martin. Und die heutigen Technologien arbeiten im Allgemeinen mit 500 bis 600 mV, während eine Dünnschichtversion mit 50 bis 100 mV oder weniger arbeiten könnte. Diese Messungen zeigen, dass es gelungen ist, die Spannung und die Polarisationsstabilität zu optimieren, was vor allem bei dünnen Materialien oft ein Kompromiss ist.

Als nächstes plant das Team, das Material noch dünner zu schrumpfen, um es mit realen Systemen kompatibel zu machen und zu untersuchen, wie es sich in diesen winzigen Dimensionen verhält. Gleichzeitig werden sie mit Mitarbeitern von Unternehmen wie Intel. zusammenarbeiten, um die Machbarkeit in elektronischen Geräten der ersten Generation zu testen. „Wenn man jede logische Operation in einem Computer eine Million Mal effizienter machen könnte, könnte man sich vorstellen, wie viel Energie man einsparen könnte. Das ist der Grund, warum wir das tun“, schließt Martin.

Die Forschung wurde vom U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science unterstützt. Die Molekulargießerei ist eine Einrichtung des DOE Office of Science am Berkeley Lab.

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