Forskare har upptäckt en ny metod för att tillverka energieffektiva datachips

Den ökande populariteten för elektroniska enheter – från träningsarmband och bärbara datorer till smartphones – driver på efterfrågan på mer energieffektiva datachip.

Nu har forskare hittat ett sätt att förändra de elektroniska egenskaperna hos ett vanligt halvledarmaterial, vilket potentiellt kan lägga grunden för snabbare datalagring och databehandling med lägre energiförbrukning.

Omvandling av ett vanligt chipmaterial

I en studie publicerad i Science upptäckte ett forskarteam under ledning av UC Berkeley att de kan omvandla titandioxid (TiO₂) till ett ferroelektriskt material genom att minska dess tjocklek till mindre än 3 nanometer (nm), ungefär diametern på en enda sträng av mänskligt DNA. Dessa fynd kan, enligt forskarna, öppna en väg mot ultraskalade, energieffektiva elektroniska enheter.

Ferroelektriska material, med sin förmåga att växla elektrisk polarisation, har en lång historia inom halvledarindustrin. Idag tror många forskare att de kan vara nyckeln till att möjliggöra nästa generations energieffektiva nanoelektronik, inklusive icke-flyktigt minne, logiska enheter och nya datatekniker.

Att övervinna hinder för ultratunna ferroelektriska material

Men att uppnå robust ferroelektriskt beteende i ett ultratunt material – en viktig faktor i den miniatyriserade världen av halvledare – har utgjort ett stort hinder. Ett annat hinder har varit att hitta ett ferroelektriskt material som kan integreras väl med befintlig kiselbaserad teknik.

För att ta itu med dessa utmaningar tittade forskare från UC Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory och SLAC National Accelerator Laboratory närmare på TiO₂. Detta material används i stor utsträckning i moderna datachips som ett dielektrikum, vilket innebär att det lagrar elektrisk laddning men inte uppvisar någon elektrisk polarisering. Genom att helt enkelt göra TiO₂ ultratunt fann forskarna att de kunde förändra dess elektroniska egenskaper.

Upptäckt av ferroelektricitet på atomnivå

Enligt Sayeef Salahuddin, professor i elektroteknik och datavetenskap samt materialvetenskap och materialteknik, visar dessa fynd hur material på atomnivå kan frigöra oväntade fysikaliska fenomen.

” ”Vi blev ganska förvånade när vi upptäckte att när tjockleken på TiO₂-filmer sjönk under 3 nm blev materialet ferroelektriskt, en fas där det uppvisar spontan elektrisk polarisering som kan växlas genom att applicera ett elektriskt fält”, sade Salahuddin, studiens huvudforskare och seniorforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory.

”Ännu viktigare är att detta nya ferroelektriska beteende förblir stabilt i filmer som är så tunna som cirka 1 nm, ungefär två enhetscellers tjocklek.”

Hur tunnare TiO₂ förändrar sin struktur

Baserat på denna studie kan en minskning av materialets tjocklek utgöra ett nytt sätt att styra ferroelektricitet och fasövergång. Deras fynd tyder också på, sade Salahuddin, att andra vanliga dielektriska material i denna klass, allmänt kända som binära oxider eller oxider med fluoritstruktur, kan utveckla nya elektroniska beteenden i atomskala.

Koushik Das, forskarstuderande vid College of Chemistry och Institutionen för elektroteknik och datavetenskap, förklarade hur man genom att göra ett material tunnare kan framkalla ferroelektricitet.

Att minska tjockleken på TiO₂-filmen, sade Das, förändrar dess kristallstruktur och skapar en ”inbyggd elektrisk polarisering” som kan vändas med ett elektriskt fält.

Kompatibilitet med dagens chipstillverkning

Studien visade också att dessa ultratunna TiO₂-filmer behåller sina ferroelektriska egenskaper när de deponeras på olika substrat.

”Vårt arbete visar att denna ferroelektricitet är stabil på både kristallina, eller kisel-, och amorfa kolfilmsubstrat”, säger Das, studiens huvudförfattare. ”Detta indikerar möjligheten till integration med kiselbaserade teknologier och därefter.”

Das påpekade en annan fördel med TiO₂: dess kompatibilitet med befintliga tillverkningsprocesser för halvledare. ”De ultratunna TiO₂-filmerna kan odlas vid låg temperatur, under 400 °C, med hjälp av atomär skiktdeposition [ALD], en teknik som redan används i toppmodern chipstillverkning”, sade han.

”Dessutom kan vi producera tunna filmer med enhetlig tjocklek över alla ytor och polarisationsegenskaper som bidrar till att möjliggöra nya funktioner för 3D-integrerad elektronik.”

En bredare inblick i materialets beteende

Utöver de omedelbara tekniska tillämpningarna ger detta arbete också en bredare vetenskaplig insikt, enligt Salahuddin.

”Vi har visat att en enkel minskning av ett materials tjocklek kan förändra dess egenskaper i grunden samt öppna upp för funktioner med många spännande, nya tillämpningar”, säger han.