工程师致力于计算机芯片的新材料

用于计算的能量正在以指数速度攀升。商业智能和咨询公司 Enerdata 报告称，信息、通信和技术占全球总用电量的 5% 至 9%。

如果增长继续有增无减，到 2030 年，计算可能需要高达全球 20% 的发电量。由于电网已经因天气相关事件和经济从化石燃料向可再生能源过渡而承受压力，工程师迫切需要拉平计算的能源需求曲线.

Jon Ihlefeld 的多功能薄膜小组的成员正在尽自己的一份力量。他们正在研究一种材料系统，该系统将允许半导体行业将计算和内存放在一个芯片上。

弗吉尼亚大学工程与应用科学学院材料科学与工程以及电气与计算机工程副教授伊勒菲尔德说：“现在我们有一个计算机芯片，它可以在上面有一点内存来进行计算活动。”

每次计算机芯片想要与更大的存储库进行通信时，它都会向线路发送一个信号，这需要能量。距离越远，消耗的能量就越多。今天，距离可能很远——可达几厘米。

“在一个完美的世界里，我们会让他们彼此直接接触，”Ihlefeld 说。

这需要与集成电路其余部分兼容的存储材料。适用于存储设备的一类材料是铁电体，这意味着它们可以根据需要保持和释放电荷。然而，大多数铁电体与硅不兼容，并且在做得非常小时性能不佳，这是现代和未来小型化设备的必需品。

Ihlefeld 实验室的研究人员正在扮演媒人的角色。他们的研究推进了具有电学和光学特性的材料，使现代计算和通信成为可能，这是材料科学与工程系的研究实力。他们还专注于一系列材料的制造和表征，这是查尔斯 L. 布朗电气和计算机工程系的研究实力。

他们感兴趣的材料是氧化铪，目前用于制造手机和电脑。缺点是在其自然状态下，氧化铪不是铁电体。

谢尔比菲尔兹的帽子一角

在过去的 11 年中，众所周知，氧化铪的原子可以被操纵以产生和保持铁电相或结构。当氧化铪薄膜被加热时，这个过程称为退火，它的原子可以移动到铁电材料的晶体图案中;当薄膜冷却时，其晶体结构就位。

为什么会发生铁电相的形成一直是很多猜测的主题。Shelby Fields，获得博士学位。在今年来自 UVA 的材料科学工程中，发表了一项具有里程碑意义的研究，以解释氧化铪如何以及为什么形成其有用的铁电相。

于 8 月发表在Advanced Electronic Materials上，阐述了当夹在金属基板和金属基板之间时如何稳定氧化铪基薄膜。电极。先前的研究发现，当顶部电极用于热退火和冷却时，更多的薄膜稳定在铁电结晶相中。

“社区有各种各样的解释为什么会这样，结果证明我们错了，”菲尔兹说。“我们认为顶部电极施加了某种机械应力，在电极平面上横向辐射，防止氧化铪伸展并恢复到其自然的非铁电状态。我的研究表明，机械应力移出平面;电极具有夹紧作用。"

整个三明治——基板、薄膜和电极——是一个电容器，这一发现很可能会改变半导体制造商选择作为电极的材料。

“现在我们明白了为什么顶层是一个如此重要的考虑因素。从长远来看，想要在单个芯片上集成计算和内存的人将不得不更仔细地考虑所有处理步骤，”菲尔兹说。

菲尔兹的论文总结了他论文研究的最后一章。在之前发表的研究中，菲尔兹展示了测量非常薄的薄膜和机械应力的技术。微小的材料使应力测量在实验上变得困难。

这项合作研究的贡献者包括小组成员 Samantha Jaszewski、Ale Salanova 和 Takanori Mimura，以及来自布朗大学的 Wesley Cai 和 Brian Sheldon、来自桑迪亚国家实验室的 David Henry、来自橡树岭国家实验室的 Kyle Kelley 和来自 UVA 纳米材料的 Helge Heinrich表征设施。

“我们希望超越轶事描述并提供数据来支持我们对材料行为的表征，”菲尔兹说。“我很高兴我们可以为社区提供关于这种钳位效果的更清晰的信息。我们知道顶层很重要，我们可以设计顶层来改善钳位效果，也许可以设计底层来帮助实现这种效果， “利用单个实验变量来控制晶相的能力对于半导体领域来说将是一个巨大的优势。我希望有人能提出并回答这个问题。”

O 标记该点

那个人可能是 Samantha Jaszewski，一个博士。材料科学与工程专业的学生，​​Ihlefeld 多功能薄膜研究小组的成员。Jaszewski 还想了解什么有助于氧化铪的铁电相的稳定性，以及芯片设计人员如何控制材料的行为。

Jaszewski 的研究重点是氧化铪在自然相和铁电相中的原子构成，特别关注氧原子的作用。她的研究“氧含量对反应性高功率脉冲磁控溅射沉积的氧化铪薄膜的相组成和铁电行为的影响”发表在 2022 年 10 月的材料学报上。

顾名思义，氧化铪由铪和氧原子组成。“有时我们在某些地方缺少那些氧原子，这有助于稳定铁电相，”Jasz​​ewski 说。

天然的非铁电状态可以容忍许多这样的氧空位，但不能像稳定铁电相所需的那么多。事实证明，制造氧化铪铁电体的氧空位的精确浓度和位置难以捉摸，因为没有多少工具可用于进行明确的测量。

Jaszewski 通过使用几种不同的技术来测量团队薄膜中的氧空位并将其与铁电特性相关联，从而解决了这个问题。她发现铁电相需要的氧空位数量比以前认为的要多得多。

X 射线光电子能谱是计算氧空位浓度的首选工具。Jaszewski 发现，除了这种光谱技术的用户通常测量的范围之外，还有一些影响因素，导致氧空位被大量低估。

Jaszewski 的实验还表明，氧空位可能是稳定材料铁电相的最重要参数之一，如果不是的话。需要做更多的研究来了解空缺是如何存在的。她还希望其他研究团队使用她的方法测量氧空位来验证她的发现。

Jaszewski 的研究推翻了传统观点，传统观点认为晶体的大小——称为晶粒——是稳定氧化铪的因素。Jaszewski 制作了三个具有相同晶粒尺寸和不同氧空位浓度的样品。她的研究表明，这些样品中存在的相不同，从而得出氧空位浓度比晶粒尺寸更重要的结论。

Jaszewski 是该论文的第一作者，该论文由小组成员 Fields 和 Salanova 与 UVA 内外许多研究小组的合作者共同撰写。Jaszewski 的研究由她的国家科学基金会研究生研究奖学金和半导体研究公司资助。

Jaszewski 正在深化她对氧化铪的研究，以解释该材料对施加电场的反应。在半导体行业，这种现象被称为唤醒和疲劳。

“当你对这种材料施加电场时，铁电特性会增加，或‘唤醒’。” 当你继续施加电场时，铁电性能会下降，这个过程称为疲劳，”Jasz​​ewski 说。

她发现，当最初施加电场时，它会增强铁电结构，但收益会递减。

“当你继续应用该领域时，铁电性能会降低，”Jasz​​ewski 说。

下一步是研究材料中氧原子的编排如何导致唤醒和疲劳，这需要研究空位的动态位置。

“这些具有里程碑意义的研究解释了为什么铁电氧化铪存在以及它是如何稳定的，”Ihlefeld 说。“基于这些新发现，我们可以设计出更稳定的氧化铪薄膜，并在实际应用中表现得更好。通过开展这项基础研究，我们可以帮助半导体公司了解问题的根源以及未来如何预防这些问题生产线。”