マイクロチップの進歩のおかげで、今日のスマートフォンは、1990 年代初頭にはスーパーコンピューターとみなされるほど強力になっています。しかし、人工知能とモノのインターネット（スマート グリッドからスマート ホームまであらゆるものを可能にした、接続されたデバイスの広大なネットワーク）の普及が進むと、これまでの小型化と性能の記録を上回るだけでなく、また、現在の技術よりもエネルギー効率が高くなります。

この取り組みの一環として、バークレー研究所の科学者たちは、コンピューターのマイクロチップの基本コンポーネントの 1 つであるトランジスタを革新して、優れたパフォーマンスとエネルギー効率を実現することに取り組んでいます。最近の仕事は、負性容量と呼ばれる珍しい特性を使用して、より効率的なメモリおよびロジックデバイスを可能にする新しいトランジスタ材料の可能性を示しました。材料が負の静電容量を持つ場合、従来の容量性材料で起こることとは逆に、より低い電圧でより多くの電荷を蓄えることができます。

現在、学際的な研究チームが負性静電容量の起源を原子論的に理解し、特定のデバイス アプリケーション向けにこの現象を強化およびカスタマイズできるようになりました。この進歩は、FerroX によって可能になりました。オープンソース, チームが負性静電容量の研究のためにカスタム設計した 3D シミュレーション フレームワーク。彼らの仕事は、報告されました日記で先端電子材料。

この研究は、従来のシリコンチップよりも優れた性能を発揮し、より少ないエネルギーを必要とする新しいマイクロチップを設計することを目的とした、複数年にわたるプロジェクト「CMOSマイクロエレクトロニクスを超える超低電圧の共同設計」の重要なマイルストーンとなる。

材料開発がアプリケーションと密接に関連していることは珍しいことではありませんが、バークレー研究所のマイクロエレクトロニクス研究に対する共同設計アプローチでは、材料特性の原子論的な理解が推進され、特定のデバイス要件によって情報が得られるため、研究のあらゆる側面における研究目標間のつながりが強化されます。研究開発から商品化までの道のりを加速することを期待して、この研究室は有名な学際的なチームサイエンスに依存しています。

「新しい材料を作るには多くの試行錯誤が必要です。それは新しいレシピを作るようなものです。研究者は通常、レシピを変更するために研究室で昼も夜も働かなければなりません。しかし、当社のモデリング ツールである FerroX を使用すると、負性容量効果のパフォーマンスに影響を与える可能性のある特定のパラメータをターゲットにするために独自のコンピュータを使用するのです」と、バークレー研究所の応用数学および計算研究部門の研究員であり、この研究の主任著者である Zhi (Jackie) Yao 氏は述べています。

Yao 氏と、筆頭著者で応用数学・計算研究部門の博士研究員である Prabhat Kumar 氏は、マイクロエレクトロニクス共同設計プロジェクトの FerroX の開発を共同で主導しました。

負性静電容量の原子起源を解明する

2008 年、共著者であるカリフォルニア大学バークレー校の電気工学およびコンピューター サイエンスの教授であり、バークレー研究所材料科学部門の上級研究員であるサイエフ サラハッディンは、エネルギー効率の高いコンピューターを設計するための新しいアプローチを実証するために、負性静電容量の概念を初めて提案しました。

負の静電容量は通常、強誘電特性を持つ材料に現れます。強誘電体材料は、その内蔵電気分極を利用してデータを保存できるため、たとえば低電力電場を使用して書き込みおよび消去できるため、エネルギー効率の高いコンピュータメモリとして期待されています。

Salahuddin の先駆的な提案から数年が経ち、研究者らは強誘電性ハフニウム酸化物とジルコニウム酸化物 (HfO) の薄膜における負の静電容量効果を学びました。₂-ZrO₂) は、フィルムが複数の相の混合物で構成されている場合に発生します。

これは、膜の小さな領域または「粒子」が、原子または「相」の配置がわずかに異なることを意味します。これらの相粒子のサイズは非常に小さく、幅がわずか数ナノメートルですが、異なる相は互いに相互作用し、負の静電容量などの巨視的現象を引き起こす可能性のある明確な電子特性を持っています。

Salahuddin グループはすでにこの現象を利用して記録破りのマイクロキャパシタを製造していますが、負性静電容量の可能性を最大限に引き出すためには、研究者らはその原子起源についてのより深い理解を必要としていました。

これを実現するために、Yao 氏と Kumar 氏が共同率いる学際的なチームが FerroX を開発しました。オープンソースのフレームワークにより、強誘電体薄膜の 3D 位相場シミュレーションを開発することができ、相組成を自由に変化させ、膜の電子特性への影響を研究することができました。

「私たちの目標は、これらのフィルムの負性静電容量の起源を理解することでしたが、それは十分に理解されていませんでした」とクマール氏は語った。「私たちのシミュレーションは、研究者が実験室で観察された負性静電容量をさらに改善するために材料の特性を調整するのに初めて役立ちました。」

その結果、バークレー研究所の研究者らは、ドメイン構造を最適化すること、つまり強誘電体粒子のサイズを縮小し、特定の方向の強誘電体分極を持つようにそれらを配置することによって、負の容量効果を強化できることを発見しました。

「負性静電容量を強化するこのアプローチは、我々の研究以前には知られていませんでした。以前のモデルには、設計空間を容易に探索するための拡張性が欠けており、物理的なカスタマイズも欠如していたためです」とYao氏は述べています。

ヤオ氏は、この新しいモデリング機能は、FerroX 開発チームが強誘電体の物理学に基づいてモデルを形成する方法を理解するのに役立った Salahuddin のような材料科学者と直接協力したことと、さまざまな科学分野の研究者が集まるバークレー研究所の独自の学際的強みのおかげであると考えています。エネルギー省の国立エネルギー研究科学計算センター (NERSC) にあるパールマッター スーパーコンピューターのすぐ近くにあります。

Perlmutter は、一度に複数のグラフィックス プロセッシング ユニット (GPU) を必要とする複雑なシミュレーション、データ分析、人工知能の実験をサポートします。Yao、Kumar、およびチームは、FerroX の開発において Perlmutter に大きく依存しました。FerroX は現在、ラップトップからスーパーコンピューターまで移植可能なオープンソース フレームワークとして他の研究者が利用できるようになりました。

「FerroX が学界、産業界、国立研究所のこれほど広大な研究者コミュニティを支援できることを大変うれしく思います」とヤオ氏は語った。

現在の研究におけるFerroXモデルは、トランジスタのゲートで発生する負性容量の発生源をシミュレーションしていますが、バークレー研究所のチームは、将来の研究ではオープンソースのフレームワークを使用してトランジスタ全体をシミュレーションする予定です。

「長年にわたり、私たちは負性静電容量の物理学と、その物理学を実際のマイクロエレクトロニクスデバイスに統合することの両方において、大きな進歩を遂げてきました」とサラハッディン氏は述べています。「FerroX を使用すると、これらのデバイスを原子からモデル化できるようになり、最適な負の特性を備えたマイクロエレクトロニクス デバイスを設計できるようになります。キャパシタンスパフォーマンス。これは、計算科学と材料科学にわたる研究者の共同設計グループの力がなければ不可能でした。」

詳細情報:Prabhat Kumar et al、多結晶多相ハフニアおよびジルコニアベースの超薄膜の 3D 強誘電体相場シミュレーション、先端電子材料（2024年）。DOI: 10.1002/aelm.202400085