Dr. habil. Thomas Kämpfe

Seit vielen Jahren ist es das Ziel, nichtflüchtige Speicher auf der Basis ferroelektrischer Materialien zu realisieren, welche sich aufgrund von verschiedenen Integrationshürden bisher nicht weiter durchsetzen konnten. Mit der Dresdner Entdeckung, dass sich in ultradünnen Schichten aus dotiertem Hafniumoxid (HfO2) weniger Nanometer Dicke kristalline Phasen mit ferroelektrischem Verhalten bilden können, änderte sich dies. Das Auftreten von Ferroelektrizität (FE) in dem Material ist bemerkenswert, weil HfO2 eines der wenigen Metalloxide ist, die sich stabil auf Silizium abscheiden lassen und essenziell für die Entwicklung der modernsten Transistoren ist.

Etwas mehr als 10 Jahre später bietet nun meine Habilitationsarbeit einen breiten Überblick über die Integration von ferroelektrischem HfO2 in den Halbleiterprozess, seine Verwendung in Halbleiterbauelementen und deren breite Anwendungsbasis. Die Anwendungen gehen dabei weit über reine Speicheranwendungen hinaus und liegen ebenfalls in Bereichen wie KI, 5G/6G, MEMS, als auch Sensorik.

In der Arbeit werden zu Beginn die theoretischen Aspekte ferroelektrischer Materialien im generellen und von Dünnschichten im Besonderen besprochen als auch neuartig entwickelte Messverfahren, die zur Untersuchung solcher Schichten und integrierter Bauelemente eingesetzt werden können. 
Die relevanten ferroelektrischen Speicherkonzepte werden eingeführt, die durch die Entdeckung von ferroelektrischem Hafniumoxid wiederbelebt wurden, dies umfasst ihre Integration sowie die geeigneten Kennzahlen für diese verschiedenen ferroelektrischen Speicherkonzepte, insbesondere den ferroelektrischen Feldeffekttransistor (FeFET). Die Anwendung neuartiger Speicherkonzepte für Edge Computing durch analoges In-Memory- Computing wird diskutiert, welches sehr geringe Energie verbraucht.

Wir stellen eine Chiparchitektur vor, die neuronale Faltungsnetze, eine der aktuell interessantesten KI-Algorithmen, welche mit sehr hoher Energieeffizienz berechnen werden können mittels der entwickelten FeFET Speicherfelder bzw. Crossbars. Die FeFET Speicherfelder wurden in enger Zusammenarbeit mit Globalfoundries in der 28nm Technologie realisiert. Der KI-Beschleuniger wurde an Heimann Sensors Infrarotkameras für die Personenerkennung demonstriert, welche bspw. für Steuerung von Gebäudeklimatisierung genutzt werden kann.

Weitere Eigenschaften ferroelektrischer Materialien sind die Pyro- und Piezoelektrizität. In meiner Arbeit präsentiere ich Messungen der pyroelektrischen Eigenschaften von HfO2, welche auch durch deren 3D-Integration für noch effizientere Infrarotsensoren genutzt werden können. Diese pyroelektrischen Eigenschaften können neben der Sensorik aber auch für das Harvesting von thermischer Energie genutzt werden. Dieses Verhalten konnte an einer Teststruktur mit ferroelektrischem HfO2 welches in die Verdrahtungsebene eines Mikrochips von Globalfoundries eingebracht wurde gezeigt werden. Hier kann es dabei helfen die Abwärme von Mikrochips zu recyclen. Außerdem werden die eng damit verbundenen elektrokalorischen Eigenschaften erörtert, die in miniaturisierten Kühlsystemen angewendet werden können. Wir konnten einen sehr hohen elektrokalorischen Koeffizienten der Schichten nachweisen.

Zuletzt werden die abstimmbaren dielektrischen Eigenschaften erörtert, die für tunebare passive Elemente für Mikrowellen, Millimeterwellen und Terahertzwellen angewendet werden können. Wir zeigen hierbei Chiprealisierungen, welche gemeinsam mit XFAB realisiert wurden, von Phasenschiebern und tunebaren Bandpassfiltern, die beispielsweise für Strahlformung in 5G und 6G Kommunikationsanwendungen genutzt werden können.

Laudatio