下一代计算芯片的关键材料

为现代设备提供算力的硅基计算芯片需要大量的能量才能运行。尽管计算效率不断提高，但预计到2030年，信息技术将消耗约25%的一次能源。微电子和材料科学领域的研究人员正在寻求可持续管理全球计算能力需求的方法。

科学家们把一个世纪以前的材料变成了下一代存储器和逻辑器件的薄膜。

减少这种数字需求的圣杯是开发运行在低得多的电压下的微电子技术，这将需要更少的能源，是努力超越当今最先进的CMOS(互补金属氧化物半导体)器件的主要目标。

存在用于存储和逻辑器件的具有诱人特性的非硅材料；但它们常见的体积形态仍然需要很大的电压来操作，这使得它们与现代电子产品不兼容。设计既能在低工作电压下表现良好，又能封装到微电子器件中的薄膜替代品仍然是一个挑战。

现在，劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校的一组研究人员已经确定了一条节能路线——通过合成一种知名材料的薄层版本，这种材料的特性正是下一代设备所需要的。

80多年前，钛酸钡(BaTiO3)首次被发现，被用于电子电路、超声波发生器、换能器，甚至声纳的各种电容器中。

这种材料的晶体对小电场反应迅速，即使去除电场，构成材料的带电原子的方向也会以可逆但永久的方式发生变化。这提供了一种在逻辑和存储设备中众所周知的“0”和“1”状态之间切换的方法——但仍然需要大于1000毫伏(mV)的电压来做到这一点。

为了将这些特性应用到微芯片中，伯克利实验室领导的团队开发了一种方法，可以制造出仅25纳米薄的BaTiO3薄膜——还不到人类头发丝宽度的千分之一——其带电原子的取向，或极化，与体积型薄膜一样快速有效地转换。

“我们在大半个世纪前就知道BaTiO3了，40多年前我们就知道如何用这种材料制作薄膜。但到目前为止，还没有人能制作出一种与批量生产的结构或性能相近的器件，”伯克利实验室材料科学部(MSD)的教员科学家、加州大学伯克利分校材料科学与工程教授莱恩·马丁(Lane Martin)领导了这项研究。

从历史上看，合成的尝试已经导致了薄膜中含有更高浓度的“缺陷”——即结构与理想材料不同的点——相比批量版本。如此高浓度的缺陷会对薄膜的性能产生负面影响。马丁和他的同事们开发了一种可以限制这些缺陷的薄膜生长方法。研究结果发表在《自然材料》杂志上。

为了了解如何才能生产出最好的、低缺陷的BaTiO3薄膜，研究人员转向了一种称为脉冲激光沉积的工艺。向BaTiO3陶瓷靶上发射一束强大的紫外线激光，使材料转变为等离子体，然后从靶上传输原子到表面上生长薄膜。马丁说:“这是一个多功能的工具，我们可以在在其中调整薄膜生长过程中的许多旋钮，看看哪些对控制属性最重要”

马丁和他的同事们展示了他们的方法可以精确控制沉积薄膜的结构、化学性质、厚度以及与金属电极的界面。在伯克利实验室分子铸造中心的国家电子显微镜中心，通过将每个沉积的样本切成两半，并使用工具逐个原子观察其结构，研究人员揭示了一个版本，精确地模拟了体积的极薄切片。

马丁说:“我们可以用新的方法来制作和塑造这些经典的材料，这是一件很有趣的事情。”

最后，通过在两个金属层之间放置一层钛酸钡薄膜，马丁和他的团队创造出了微型电容器——这种电子元件可以在电路中快速存储和释放能量。施加100毫伏或更低的电压，并测量产生的电流，显示薄膜的极化转换在20亿分之一秒内完成，而且可能会更快——与今天的计算机访问内存或执行计算所需的速度竞争。

这项工作遵循了更大的目标，即创造具有小开关电压的材料，并研究设备所需的金属元件的接口如何影响这种材料。马丁说:“这是我们追求低功耗电子产品的一个很好的早期胜利，它超越了当今硅基电子产品的可能性。”

马丁说:“与我们的新设备不同，如今芯片中使用的电容器不能保存数据，除非你持续施加电压。”目前的技术一般工作在500到600 mV，而薄膜版本可以工作在50到100 mV或更低。总之，这些测量证明了电压和极化鲁棒性的成功优化——这往往是一种权衡，特别是在薄材料中。

接下来，该团队计划将这种材料收缩得更薄，以便与计算机中的真实设备兼容，并研究它在这些微小尺寸下的行为。与此同时，他们将与英特尔等公司合作，测试第一代电子设备的可行性。“如果你能让计算机的每一个逻辑运算效率提高一百万倍，想想你能节省多少能源。这就是我们这么做的原因，”马丁说。

这项研究得到了美国能源部(DOE)科学办公室的支持。Molecular Foundry 是美国能源部伯克利实验室科学办公室的用户设施。

伯克利实验室的“超越摩尔定律”计划旨在识别内存元素中超低功耗逻辑的路径。“我们需要实现低电压操作，因为这是衡量能量的尺度，”合著者Ramamoorthy Ramesh说，他是伯克利实验室的高级教员科学家，也是加州大学伯克利分校的物理、材料科学和工程教授。“这项工作首次在相关平台上演示了电压低于100 mV的模型材料BaTiO3的开关场。”

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