NaMLab gGmbH

NaMLab wurde 2006 als öffentlich-private Partnerschaft zwischen der Qimonda Dresden GmbH und der TU Dresden gegründet. Im ersten Jahr begann NaMLab als Forschungseinrichtung mit 10 Mitarbeitern, die sich auf die Materialforschung für zukünftige Speicherbausteine konzentrierten. Das Unternehmen expandierte stetig, und heute bedient NaMLab eine wachsende Liste weltweiter Partner. Die Forschung von NaMLab leistet einen Beitrag zu den großen Herausforderungen unserer zukünftigen Gesellschaft in Bezug auf Klimawandel, Digitalisierung und Mobilität, indem sie nachhaltige, sichere und intelligente elektronische Lösungen in den Mittelpunkt stellt.  Im Hinblick auf die technischen Bereiche können diese Lösungen in drei Hauptaktivitäten unterteilt werden:

• Dielektrika für Halbleiterbauelemente,
  
• Rekonfigurierbare Bauelemente und
• Energieeffiziente Bauelemente

Dieser sechste Zweijahresbericht umfasst die Aktivitäten des NaMLab im Zweijahreszeitraum 2020 und 2021. Der Zeitrahmen wurde stark von der Sars-Cov2-Pandemie beeinflusst. Gerade eine Forschungseinrichtung, die hauptsächlich experimentell arbeitet, ist von diesen Randbedingungen betroffen. Das Team zog an einem Strang und meisterte die Herausforderung mit großem Erfolg. Das Institut setzte seinen Weg als weltweit führende Einrichtung auf dem Gebiet der Materialforschung für zukünftige Elektronenbauelemente fort.  Die internationale Aufmerksamkeit hat erneut zugenommen.

Die Forschung des NaMLab auf dem Gebiet der Dielektrika konzentriert sich auf ferroelektrische Materialien mit Fluoritstruktur, wie Hafniumoxid, und deren Anwendung in Kondensatoren. Das Verständnis der Hauptfaktoren, die die Ferroelektrizität in Hafniumoxid steuern, sowie das Verständnis des Degradationsmechanismus solcher ferroelektrischen Materialien war ein Schwerpunkt der Forschung. Ein Highlight ist, dass die optimierten Materialstapel erfolgreich in zwei 1T-1C FeRAM-Demonstratoren integriert wurden. Dies zeigt die starke Verbindung zwischen der Forschung an Dielektrika und bauelementorientierten Themen, die NaMLab erreicht hat.
Alle drei am NaMLab erforschten rekonfigurierbaren Bauelementekonzepte werden derzeit für Anwendungen in der intelligenten, selbstlernenden Elektronik sowie in der Elektronik mit höherer Sicherheit in Betracht gezogen.

Bei einem rekonfigurierbaren Feldeffekttransistor (RFET) kann die Polarität eines Feldeffektbauelements durch Anlegen einer Gatespannung an ein spezielles Programmiergatter gesteuert werden. Im Berichtszeitraum konnte das Team zusammen mit einem Industriepartner ein erstes RFET-Bauelement demonstrieren, das in eine moderne CMOS-Technologie integriert wurde. Darüber hinaus wurde dieses Forschungsgebiet erheblich auf Anwendungen im Bereich der Hardwaresicherheit ausgedehnt.

Das zweite Thema im Bereich der rekonfigurierbaren Bauelemente sind Feldeffekttransistoren auf Basis von ferroelektrischem Hafniumoxid. Gemeinsam mit Partnern vom Fraunhofer IPMS-CNT und GLOBALFOUNDRIES treibt das NaMLab dieses Konzept seit 2009 voran. Im Berichtszeitraum hat NaMLab gemeinsam mit GLOBALFOUNDRIES und dem NaMLab Spin-Off Ferroelectric Memory GmbH die Entwicklung der Embedded FeFET-Technologie bei GLOBALFOUNDRIES fortgesetzt. Anwendungen von ferroelektrischem Hafniumoxid jenseits von Halbleiterspeichern wie neuromorphes Computing und speicherintegrierte Logikbausteine waren ein Schwerpunkt. Neben FeFET-basierten Bauelementen haben auch ferroelektrische Tunnelübergänge (FTJ) an Bedeutung gewonnen, um künstliche Synapsen zu realisieren.
Das dritte wichtige rekonfigurierbare Bauelementekonzept, das erforscht wird, ist die Widerstandsschaltung. Hier wurden neue Aspekte der Schwellenwertschaltung in Nioboxid erforscht, die Schaltungsdemonstratoren für neue Rechenparadigmen ermöglichen. So wurden beispielsweise gemeinsam mit der Gruppe von Prof. Tetzlaff an der TU Dresden die Möglichkeiten der Verwendung gekoppelter Oszillatoren zur Lösung des sehr wichtigen Graphenfärbungsproblems untersucht. Darüber hinaus wurden im Berichtszeitraum neue Projekte zur Realisierung von analoger Widerstandsschaltung sowie von Memcapacitance gestartet.

Der Bereich der energieeffizienten Geräte hat drei Hauptthemen, nämlich Solarzellen, Batterien und GaN-Materialien und -Bauelemente. Alle drei Forschungsaktivitäten zielen auf die Bereitstellung nachhaltiger elektronischer Lösungen ab. Im Bereich der Solarzellen lag der Schwerpunkt auf der Entwicklung von leitenden Passivierungsschichten, die auf dem Fachwissen des NaMLab im Bereich der dielektrischen Materialien aufbauen. Die Ergebnisse zeigen die Machbarkeit der verschiedenen Komponenten: Leitfähigkeit und Oberflächenpassivierung wurden erfolgreich demonstriert. Auf der Grundlage des Know-hows in der Herstellung von Nanodrähten von unten nach oben wurden Anoden für Lithium-Ionen-Batterien hergestellt. In diesem Berichtszeitraum wurde eine Methode zur Charakterisierung der Stabilität von Siliziumanoden mittels In-situ-Raman-Spektroskopie erweitert, um verschiedene von Partnern gelieferte siliziumbasierte Anodenkonfigurationen zu charakterisieren.

Auf dem Gebiet der Galliumnitrid-Materialien und -Bauelemente konnte die Außenstelle in Freiberg zusammen mit dem Industriepartner NaMLab die Qualität und Reproduzierbarkeit von rissfrei dotierten HVPE-GaN-Kristallen weiter verbessern. Gleichzeitig wurden im Rahmen der MBE-Aktivitäten hochwertige Filme hergestellt, die das Verständnis für die Entstehung und den Einfluss von verbleibenden Verunreinigungen weiter verbessern. Auf dem Gebiet der GaN-Bauelemente wurden die ersten vollständig vertikalen Bauelemente hergestellt, und die Optimierung dieser Bauelemente ist noch nicht abgeschlossen.  Darüber hinaus wurde ein neues goldfreies Kontaktschema auf Tantalbasis für HEMT-Bauelemente entwickelt und die Stabilität von Al2O3, das als Gate-Dielektrikum in MISHEMT-Bauelemente integriert ist, verbessert.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das NaMLab trotz der komplizierten Randbedingungen, die durch die Sars_Cov2-Pandemie entstanden sind, seine Position in den Kernthemen weiter gestärkt und einen Beitrag zu den großen Herausforderungen unserer modernen Gesellschaft im Berichtszeitraum geleistet hat. Dies wird durch die steigende Anzahl von Partnerschaften mit lokalen und internationalen Industrie- und Forschungspartnern dokumentiert. Ein weiterer beeindruckender Anstieg der Zitierungen von NaMLab's wissenschaftlichen Publikationen sowie eine große Anzahl von Einladungen zu führenden wissenschaftlichen Konferenzen wie IRPS, ISAF, EDTM etc. dokumentieren die hohe internationale Sichtbarkeit, die NaMLab mittlerweile erreicht hat und beibehält. Das NaMLab-Team wird auf den starken Ergebnissen dieses Berichtszeitraums aufbauen und seine Anstrengungen weiter ausbauen, um kontinuierlich zur Gestaltung der spannenden und herausfordernden Welt der Mikro- und Nanoelektronik beizutragen.