新しいマイクロキャパシタが、エネルギー密度とパワーの壁を突破します。

• バークレー研究所の科学者たちが、超高エネルギー密度とパワー密度を持つマイクロキャパシタを開発しました。
• これらのマイクロキャパシタは、ハフニウム酸化物とジルコニウム酸化物のエンジニアリングされた薄膜で作られています。
• この技術は、より小型で高速かつ省エネルギーなマイクロエレクトロニックデバイスの実現につながる可能性があります。

ローレンス・バークレー国立研究所の科学者たちは、超高エネルギー密度とパワー密度を持つマイクロコンデンサを開発しました。これにより、電子デバイスにおけるオンチップエネルギー貯蔵を実現する道が開かれました。多くの読者は、コンピュータのマザーボードや他の消費電力が高いシリコンチップ回路基板に取り付けられたコンデンサの存在を目にしてきたことでしょう。

『ネイチャー』誌に掲載された研究成果は、次世代のエレクトロニクスでの高度なオンチップエネルギー貯蔵と電力供給の道を開いたとしています。

電子デバイスをますます小型化し、エネルギー効率を向上させる取り組みの中で、研究者たちはエネルギー貯蔵をマイクロチップの上に直接配置し、電力が異なるデバイス部品間を輸送される際に発生する損失を減らすことを望んでいます。オンチップエネルギー貯蔵が効果的に機能するためには、非常に小さなスペースに大量のエネルギーを蓄え、必要に応じて迅速に供給できる必要があります—これは既存のテクノロジでは満たされることのない要件です。

この課題に取り組むため、ローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）およびUCバークレーの科学者たちは、技術的に成熟したハフニウム酸化物とジルコニウム酸化物の薄膜を用いたマイクロコンデンサで、記録的な高いエネルギー密度とパワー密度を達成しました。これらの材料と製造技術はすでにチップ製造で広く使用されています。

エンジニアリングされたハフニウム酸化物/ジルコニウム酸化物薄膜を使用したマイクロコンデンサは、現代のマイクロエレクトロニクスで使用されている3Dトレンチコンデンサ構造に達成され、記録的な高いエネルギー貯蔵とパワー密度を実現し、オンチップエネルギー貯蔵への道を開拓しています。画像提供：Nirmaan Shanker/Suraj Cheema, ローレンス・バークレー国立研究所。 プレスリリースのリンクをクリックして、より大きな画像をご覧ください。

プロジェクトを率いたバークレー研究所のシニアサイエンティストでありUCバークレーの教授であるサイーフ・サラフディンは、この研究について次のように説明しました。「我々は、エンジニアリングされた薄膜から作られたマイクロコンデンサに多くのエネルギーを蓄えることが可能であり、通常の誘電体では実現不可能なほど多くのエネルギーを蓄えることができることを示しました。さらに、この材料はマイクロプロセッサの上に直接処理できるという点が特に重要です。」

この研究は、より小型で高速でエネルギー効率の向上したマイクロエレクトロニクスのための新しい材料や技術を開発するバークレー研究所の広範な取り組みの一環です。

コンデンサは電子回路の基本的な構成要素の1つですが、エネルギーを貯蔵するためにも使用できます。電池が化学反応によってエネルギーを貯蔵するのに対し、コンデンサは、二つの金属板間に配置された誘電性材料によって確立される電場にエネルギーを貯蔵します。コンデンサは必要に応じて非常に迅速に放電されるため、素早く電力を供給できます。また、繰り返しの充放電サイクルで劣化せず、電池よりも長寿命を持っています。しかし、コンデンサは一般に電池よりもエネルギー密度が低く、体積や重量あたりに貯蔵できるエネルギー量が少ないため、マイクロコンデンササイズに縮小するとさらに問題が深刻化します。

バークレー研究所では、研究者たちは、HfO2-ZrO2の薄膜を慎重にエンジニアリングして、負のキャパシタンス効果を実現し、記録的なマイクロコンデンサを実現しました。通常、1つの誘電体材料を積層すると、全体的にキャパシタンスが低下します。しかし、そのうちの1つの層が負のキャパシタンス材料である場合、全体的なキャパシタンスは実際に増加します。以前の研究では、サラフディンらは負のキャパシタンス材料を使用して、従来のMOSFETトランジスタよりも低電圧で動作できるトランジスタを製造することを実証しました。ここでは、負のキャパシタンスを利用して、より多くの電荷、したがってエネルギーを蓄えることができるコンデンサを生産しました。

これらの結晶膜は、工業用チップ製造からの標準的な材料と技術を用いて、原子層堆積法によって育成されるHfO2およびZrO2の混合物から作られています。両成分の比率に応じて、膜は強誘電性になることがあり、その結晶構造には電気的な分極が組み込まれています。また、構造が電場をかけることで極化状態に導かれる反強誘電性の場合もあります。組成を適切に調整すると、コンデンサに充電をかけると、膜を強誘電性と反強誘電性の境界線でバランスさせる電場が生じ、この不安定性により電気容量が非常に小さな電場でも非常に簡単に極化される負のキャパシタンス効果が生じます。

サラフディンのグループのポストドクであり、論文の共同第一著者の一人であるスラージ・チーマは、「その単位セルは、相転移の過程で極化されたがっており、電場に対して余分な電荷を生じるのに役立ちます。この現象は負のキャパシタンス効果の1つの例ですが、通常よりもはるかに多くの電荷をキャプチャできる方法と考えることができます。」また、サラフディンのグループの学生で共同第一著者であるニルマーン・シャンカーも述べています。

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