Energieeffiziente zweidimensionale Prozess-in-Speicher-Gerät

Die Bewegung von negativ geladenen Elektronen erzeugt einen Ladungsstrom in Leitern - heutzutage funktionieren elektronische Bauteile wie Dioden, Transistoren und selbst Computerprozessoren durch die Manipulation dieses Ladungsstromes. Jedoch umkreisen Elektronen nicht nur den positiv geladenen Atomkern, sondern drehen sich auch um ihre eigene Achse, dies führt zu einem quantenmechanischen Freiheitsgrad, der als Spin bezeichnet wird. Je nach Drehrichtung ob im- oder gegen den Uhrzeigersinn - wird der Spin eines Elektrons als auf oder ab bezeichnet. Die für Speicheranwendungen wie Festplattenlaufwerke oder magnetoresistive RAMs weit verbreiteten magnetischen Bauelemente nutzen den Spin der Elektronen, indem sie einen spinpolarisierten Ladungsstrom manipulieren, welcher im Gegensatz zum einem reinen Ladungsstrom eine Mehrheit an Elektronen mit auf- beziehungsweise abwärts gerichteten Spin besitzt. Spinbasierte Speicher sind eine attraktive Technologie, da sie sowohl nicht flüchtig als auch sehr langlebig sind. Jedoch weisen sie nur geringe Widerstandsänderungen auf, wohingegen logische Halbleitertransistoren, wie zum Beispiel Feldeffekttransistoren, eine große Widerstandsänderung bieten, dafür aber keine Speicherfunktion haben. Bei beiden Ansätzen bleiben die Nichtflüchtigkeit der Daten und die Energieeffizienz wichtige Probleme, die gelöst werden müssen. Durch die Kombination des Spins mit der Orbitalbewegung der Elektronen, die in Festkörpern als Spin-Bahn-Kopplung bekannt ist, können indessen in nichtmagnetischen Materialien wie Metallen und Halbleitern verlustfreie reine Spinströme erzeugt werden, bei denen sich nur die Spins, nicht aber die Ladungen bewegen. Es wird erwartet, dass dieser Ansatz zur Nutzung der Spin-Bahn-Kopplung zur Entwicklung einer neuen Technologie führen wird, der Spin-Bahn- Elektronik. Dabei wird das Spin-Bahn-Drehmoment an den Grenzflächen zwischen magnetischen- und nichtmagnetischen Schichten genutzt, wodurchnichtflüchtige, energieeffiziente elektronische Geräte realisiert werden können. Insbesondere die Entwicklung von atomar- dünnenzweidimensionalen(2D) Materialienhat bereits zur Realisierungvon Quantenbauelementen geführt, die nicht nur energieeffizient sind, sondern auch die bestehende Siliziumtechnologie ergänzen. In diesem Projekt wird ein Spin-Orbit-Drehmoment-gesteuerter Feldeffekttransistor (SOTdFET) bestehend aus einer 2D-van-der-Waals-Heterostruktur entworfen und realisiert, um Prozess-in- Speicher-Bauelemente (PiM) mit geringem Stromverbrauch und somit erhöhter Nachhaltigkeit zu schaffen, welche außerdem eine hohe Langlebigkeit und Integrierbarkeit in die bestehende CMOS- Architektur (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) bieten. Die Ergebnisse des Projekts werden alternative Ansätze für Boolesche Logikoperationen liefern, indem hybride 2D- Materialien als Bausteine für künftige Quantenprozessoren und quantenspintronische Geräte genutzt werden.

Unser Projekt zielte darauf ab, einen neuen Weg zu energieeffizientem, skalierbarem Rechnen zu erschließen, indem wir einen durch Spin-Orbit-Drehmoment (Spin-Orbit Torque) gesteuerten Feldeffekttransistor (SOTdFET) auf der Basis ultradünner, geschichteter Materialien - sogenannter Van-der-Waals-Heterostrukturen - entwickeln. Dieser Ansatz soll "Process-in-Memory" (PiM)-Geräte ermöglichen - Bauelemente, die Daten am selben Ort speichern und verarbeiten - wodurch der Energieverbrauch sinkt, die Lebensdauer verbessert wird und eine Integration in die heutige CMOS-Technologie gelingt. Das vorgeschlagene Bauelement umfasst vier grundlegende Komponenten: einen Ferromagneten, ein Semimetall, ein Multiferroikum und einen Halbleiter. Die Realisierung einer stabilen kristallinen Phase eines Van-der-Waals-Multiferroikums erwies sich als äußerst herausfordernd und lenkte unsere Arbeit auf andere vielversprechende Quantenmaterialien, die von Beginn an im Projekt vorgesehen waren: Dirac-Semimetalle und Van-der-Waals-Ferromagnete: PtSe2 (Platin-Diselenid), ein geschichtetes Dirac-Semimetall. ZrTe5 (Zirkonium-Pentatellurid), ein Dirac-Semimetall an der Grenze zwischen verschiedenen topologischen Phasen. CrTe2 (Chrom-Ditellurid), ein Van-der-Waals-Ferromagnet. Unsere Untersuchungen an ultradünnen PtSe2-Flocken zeigten ein ungewöhnliches gleichzeitiges Auftreten von Spin-Orbit-Kopplung, Kondo-Physik (bei der Leitungselektronen mit magnetischen Verunreinigungen wechselwirken) und topologischem elektronischem Verhalten. Diese Kombination weist auf neue Möglichkeiten hin, den "Orbit" und den Spin von Elektronen zu steuern - ein aufkommendes Feld namens Orbitronik -, das in zukünftigen, energiearmen Quantentechnologien nutzbar gemacht werden könnte. Bei CrTe2 fanden wir mithilfe chemischer, struktureller und elektronischer Diagnostik heraus, dass spontane Selbstinterkalation - wobei zusätzliche Chromatome sich zwischen die Schichten einfügen - eine ausgeprägte magnetische Anisotropie in der Ebene hervorruft. Die Magnetisierung des Materials bevorzugt dabei die Ausrichtung innerhalb der Schichten, was ideal für Bauelemente ist, die Spin-Orbit-Drehmomente nutzen. Damit positioniert sich CrTe2 als zentraler ferromagnetischer Partner für PtSe2 in geschichteten Heterostrukturen, die für effizientes spinbasiertes Schalten optimiert sind. Für ZrTe5 konnten wir das Vorliegen eines topologischen Phasenübergangs und einer nichttrivialen Berry-Krümmung - Kennzeichen eines robusten, geometriegetriebenen Elektronenverhaltens - nachweisen. Durch die Kombination von ZrTe5 mit dem Supraleiter NbSe2 erzielten wir den ersten Proof-of-Concept für ein Van-der-Waals-topologisches Quantenbauelement für zukünftige Quantentechnologien. Insgesamt stärken diese Ergebnisse die Materialbasis, die für praktische PiM-Geräte und eine kompatible Integration in bestehende Halbleiterplattformen erforderlich ist. Auch wenn der Weg zu einem vollständigen SOTdFET noch vor uns liegt, weisen unsere Resultate eine vielversprechende Richtung zu nachhaltigem, leistungsstarkem Rechnen auf, das von Quantenmaterialien angetrieben wird.