Wurtzitische Mischkristalle als neue Materialklasse für ferroelektrische Mikroelektronik

• Antragsteller: Dr. Simon Fichtner; Professor Dr.-Ing. Thomas Mikolajick
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458372836

Ferroelektrische Materialien sind seit ihrer Entdeckung vor genau 100 Jahren Gegenstand intensiver Forschung. Die Fähigkeit, durch externe elektrische Felder ihre spontane Polarisation zwischen mehreren Zuständen zu variieren prädestiniert ferroelektrische Dünnfilme z.B. für eine Anwendung in mikroelektronischen Informationsspeichern, etwa für neuromorphes Rechnen. Auf Ferroelektrika basierte Ansätze zeichnen sich hier gegenüber alternativen Technologien u.a. durch ihre besondere Energieeffizienz aus. In 2011 konnte das NaMLab erstmalig über Ferroelektrizität in dotiertem HfO2 berichten und sorgte damit für einen deutlichen Aufschwung des Forschungsgebiets motiviert durch die zuvor unerreichten Materialeigenschaften des HfO2. Aus dem gleichen Grund verspricht die 2019 an der Christian-Albrechts-Universität erfolgte Entdeckung des ersten wurzitischen Ferroelektrikums AlScN die Entwicklung von ferroelektischer Mikroelektronik in den nächsten Jahren weiter zu beschleunigen. Dieses Projekt soll es der Christian-Albrechts-Universität und dem NaMLab nun ermöglichen, ihre international anerkannten Kompetenzen bei der Entwicklung neuer ferroelektrischer Dünnfilme zu vereinen.Das übergeordnete Ziel der Kooperation besteht darin, die weitere Grundlagen- und anwendungsorientierte Erforschung von ferroelektrischen Wurtziten voranzutreiben. Dabei setzt der gesellschaftliche und potentiell auch wirtschaftliche Stellenwert von Memristoren für neuromorphes Rechnen den Applikationsfokus in diesem Projekt. Eigenschaften wie Phasenreinheit und (Polarisations-) Stabilität lassen bereits erwarten, dass AlScN hierfür wesentliche Vorteile aufweist. Zur Vorbereitung der Integration von dünnen AlScN Filmen in mikroelektronische Bauteile sollen zunächst deren Skallierungseigenschaften hin zu Schaltspannungen deutlich unter 10 V untersucht werden durch eine Verringerung der Schichtdickte unter 20 nm. Dazu soll ein Atomlagenabscheidungsprozess für dünnes ferroelektrisches AlScN etabliert werden. Gemeinsam entwickeln beide Partner dann AlScN basierte Kondensatoren, welche sich durch gute Kompatibilität mit bestehenden Halbleiterprozessen auszeichnen. Diese Kondensatoren und Dünnschichten bilden dann die Basis für die weitere Erforschung von ferroelektrischen AlScN Speichern und Tunnelbarrieren für neuromorphe Elektronik. Um wurtzitische Ferroelektrika als eigenständige Materialgruppe zu etablieren und zudem eine besonders geeignete Wachstumsvorlage für AlScN zu schaffen, wird GaScN als potentiell nächstes wurtzitisches Ferroelektrikum erforscht werden. Weitere geplante und für das Verständnis dieser neuen Funktionsmaterialien essentielle Arbeiten sind Untersuchungen zur Langzeitstabilität, der Domänendynamik sowie zu Prozessen wie Depolarisation und Ladungsinjektion. Dieses Projekt kann die Entwicklung ferroelektrischer Mikroelektronik durch die Erforschung einer vielversprechenden, bisher nur grundlegend untersuchten Materialgruppe wesentlich vorantreiben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen