Tiny Titans : des microcondensateurs révolutionnaires destinés à dynamiser l'électronique de nouvelle génération

Les nouveaux microcondensateurs développés par des scientifiques présentent des densités d’énergie et de puissance record, ouvrant la voie au stockage d’énergie sur puce dans les appareils électroniques.

Les chercheurs s’efforcent de rendre les appareils électroniques plus petits et plus économes en énergie en intégrant le stockage d’énergie directement sur des micropuces. Cette approche minimise les pertes d'énergie qui se produisent lorsque la puissance est transférée entre les différents composants de l'appareil. Pour être efficace, le stockage d’énergie sur puce doit être capable de stocker une quantité substantielle d’énergie dans un espace compact et de la restituer rapidement. Toutefois, les technologies existantes ne peuvent pas répondre à ces exigences.

Percée dans les microcondensateurs

Les scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l'UC Berkeley ont franchi une étape importante pour surmonter ces défis, en atteignant récemment des densités d'énergie et de puissance record dans les microcondensateurs. Ces condensateurs sont fabriqués à partir de films minces d'oxyde de hafnium et d'oxyde de zirconium, en utilisant des matériaux et des techniques de fabrication courants dans la fabrication de puces. Publié dans la revue Natureleurs découvertes pourraient révolutionner le stockage d’énergie sur puce et la fourniture d’énergie dans l’électronique de nouvelle génération.

« Nous avons montré qu'il est possible de stocker beaucoup d'énergie dans des microcondensateurs fabriqués à partir de couches minces, bien plus que ce qui est possible avec des diélectriques ordinaires », a déclaré Sayeef Salahuddin, scientifique principal au Berkeley Lab, professeur à l'UC Berkeley et responsable du projet. plomb. « De plus, nous faisons cela avec un matériau qui peut être traité directement sur des microprocesseurs. » Cette recherche fait partie des efforts plus larges du Berkeley Lab visant à développer de nouveaux matériaux et techniques pour une microélectronique plus efficace.

Principes fondamentaux et défis des condensateurs

Les condensateurs sont l’un des composants de base des circuits électriques mais ils peuvent également être utilisés pour stocker de l’énergie. Contrairement aux batteries, qui stockent l'énergie grâce à des réactions électrochimiques, les condensateurs stockent l'énergie dans un champ électrique établi entre deux plaques métalliques séparées par un matériau diélectrique. Les condensateurs peuvent être déchargés très rapidement en cas de besoin, ce qui leur permet de fournir rapidement de l'énergie. De plus, elles ne se dégradent pas avec les cycles de charge-décharge répétés, ce qui leur confère une durée de vie beaucoup plus longue que les batteries. Cependant, les condensateurs ont généralement des densités d'énergie beaucoup plus faibles que les batteries, ce qui signifie qu'ils peuvent stocker moins d'énergie par unité de volume ou de poids, et ce problème ne fait qu'empirer lorsque vous essayez de les réduire à la taille d'un microcondensateur pour le stockage d'énergie sur puce.

Méthodologies et résultats de recherche

Les chercheurs ont créé leurs microcondensateurs révolutionnaires en concevant soigneusement des couches minces de HfO₂-ZrO₂ pour obtenir un effet de capacité négatif. Normalement, la superposition d’un matériau diélectrique sur un autre entraîne une capacité globale inférieure. Cependant, si l’une de ces couches est un matériau à capacité négative, la capacité globale augmente en réalité. Dans des travaux antérieurs, Salahuddin et ses collègues ont démontré l'utilisation de matériaux à capacité négative pour produire des transistors pouvant fonctionner à des tensions nettement inférieures à celles des transistors MOSFET classiques. Ici, ils ont exploité la capacité négative pour produire des condensateurs capables de stocker de plus grandes quantités de charge, et donc d’énergie.

Les films sont réalisés à partir d'un mélange de HfO₂ et ZrO₂ cultivé par dépôt de couche atomique, en utilisant des matériaux et des techniques standards issus de la fabrication industrielle de puces. En fonction du rapport des deux composants, les films peuvent être ferroélectriques, où la structure cristalline a une polarisation électrique intégrée, ou antiferroélectriques, où la structure peut être poussée dans un état polaire en appliquant un champ électrique. Lorsque la composition est parfaitement ajustée, le champ électrique créé par la charge du condensateur équilibre les films au point de basculement entre l'ordre ferroélectrique et antiferroélectrique, et cette instabilité donne lieu à l'effet de capacité négative où le matériau peut être facilement polarisé même par un petit champ électrique.

« Cette cellule unitaire veut vraiment être polarisée pendant la transition de phase, ce qui contribue à produire une charge supplémentaire en réponse à un champ électrique », a déclaré Suraj Cheema, postdoctorant dans le groupe de Salahuddin et l'un des principaux auteurs de l'article. « Ce phénomène est un exemple d'effet de capacité négatif, mais vous pouvez le considérer comme un moyen de capturer bien plus de charge que vous n'en auriez normalement », a ajouté Nirmaan Shanker, étudiant diplômé du groupe de Salahuddin et co-auteur principal.

Pour augmenter la capacité de stockage d'énergie des films, l'équipe devait augmenter l'épaisseur du film sans lui permettre de sortir de l'état antiferroélectrique-ferroélectrique frustré. Ils ont découvert qu'en intercalant de fines couches atomiques d'oxyde d'aluminium toutes les quelques couches de HfO₂-ZrO₂ils pourraient faire croître les films jusqu'à 100 nm d'épaisseur tout en conservant les propriétés souhaitées.

Enfin, en travaillant avec des collaborateurs du MIT Lincoln Laboratory, les chercheurs ont intégré les films dans des structures de microcondensateurs tridimensionnelles, faisant croître les films en couches précises dans des tranchées profondes découpées dans le silicium avec des rapports d'aspect allant jusqu'à 100:1. Ces structures de condensateurs à tranchée 3D sont utilisées dans les condensateurs DRAM actuels et peuvent atteindre une capacité par unité d'empreinte beaucoup plus élevée que les condensateurs planaires, permettant une plus grande miniaturisation et une plus grande flexibilité de conception. Les propriétés des dispositifs résultants battent des records : par rapport aux meilleurs condensateurs électrostatiques actuels, ces microcondensateurs ont une densité énergétique neuf fois supérieure et une densité de puissance 170 fois supérieure (respectivement 80 mJ-cm-2 et 300 kW-cm-2). .

« La densité d'énergie et de puissance que nous avons obtenue est bien supérieure à ce à quoi nous nous attendions », a déclaré Salahuddin. « Nous développons des matériaux à capacité négative depuis de nombreuses années, mais ces résultats étaient assez surprenants. »

Directions futures

Ces microcondensateurs hautes performances pourraient contribuer à répondre à la demande croissante de stockage d’énergie efficace et miniaturisé dans des microdispositifs tels que les capteurs de l’Internet des objets, les systèmes informatiques de pointe et les processeurs d’intelligence artificielle. Les chercheurs travaillent actuellement à étendre la technologie et à l'intégrer dans des micropuces grandeur nature, ainsi qu'à faire progresser la science fondamentale des matériaux pour améliorer encore davantage la capacité négative de ces films.

« Grâce à cette technologie, nous pouvons enfin commencer à réaliser un stockage d'énergie et une fourniture d'énergie parfaitement intégrés sur puce dans de très petites tailles », a déclaré Cheema. « Cela peut ouvrir un nouveau domaine de technologies énergétiques pour la microélectronique. »

Une partie de ce travail a été menée à la Molecular Foundry, une installation utilisateur des nanosciences du DOE Office of Science située au Berkeley Lab. La recherche a reçu le soutien du Bureau des sciences du ministère de l'Énergie, du Bureau des sciences énergétiques fondamentales, de la Defense Threat Reduction Agency (DTRA) et du secrétaire à la Défense pour la recherche et l'ingénierie.