Unauslesbare Schaltungen und Energierückgewinnung

Neben der Fähigkeit, Daten zu speichern, macht die Umschaltbarkeit von FeFETs sie auch für andere Anwendungen interessant. Eine sind rekonfigurierbare Logikschaltkreise. Durch die FeFETs können Gatter von einem negierten Oder (NOR) in ein negiertes Und (NAND) umgeschaltet werden. Das nutzt Namlab, um damit sichere Schaltungen zu bauen.

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Laut dessen wissenschaftlichem Leiter Thomas Mikolajick lassen sich mit den rekonfigurierbaren Gattern Schaltungen bauen, deren Funktion nicht mittels Reverse Engineering entschlüsselt werden kann. Ein wichtiger Mechanismus ist dabei die optische Analyse. Ein Chip wird dafür schichtweise abgeschliffen und mikroskopisch untersucht. So lässt sich aufdecken, aus welchen Gattern er aufgebaut ist - und damit, was er tut. Mikolajick und seine Kollegen nutzen stattdessen nur einen Gattertyp. Aus dem wird die zu schützende Schaltung aufgebaut und danach ihre Funktion programmiert.

Mit dem Mikroskop ist so die Funktion der Schaltung nicht mehr erkennbar. Auch andere Analysemethoden fallen weg. Bei normalen CMOS-Schaltungen kann mit Messungen von Verzögerung und aufgenommener Leistung auf deren Funktion geschlossen werden. Möglich macht das unterschiedliches Verhalten der P- und N-Kanal-MOSFETs. Da bei FeFETs die Funktion umgeschaltet wird, verhalten sie sich in beiden Konfigurationen gleich.

  • Prinzip eines FeFETs: Über ein Programmier-Gate (PG) wird ein elektromagnetisches Feld gespeichert. Das Control-Gate (CG) entspricht dem normalen Gate eines MOSFETs. (Bild: Namlab)
  • Aufbau eines programmierbaren NAND/NOR-Gatters, links ein NOR-Gatter in CMOS-Technik. (Bild: Namlab)
  • Oben rechts elektronenmikroskopische Aufnahmen der zum Energy Harvesting genutzten Hafniumdioxidschicht. Unten rechts der Olsen-Zyklus mit den angelegten Feldstärken. (Bild: Fraunhofer IPMS)
  • MOSFETs und FeFETs sind fast gleich aufgebaut, allerdings behält das ferroelektrische Material ein zuvor gespeichertes elektromagnetisches Feld (blauer/roter Pfeil). (Bild: Johannes Hiltscher, Golem.de)
Aufbau eines programmierbaren NAND/NOR-Gatters, links ein NOR-Gatter in CMOS-Technik. (Bild: Namlab)

Die FeFETs sind zudem unanfällig gegen Manipulation und Auslesen ihres Zustands: Nach Aussage von Mikolajick müsste ein elektromagnetischer Impuls zum Umschalten der FeFETs von außen so stark sein, dass die Schaltung zerstört würde. Andererseits sind die im Hafniumdioxid gespeicherten Felder so schwach, dass sie nicht ausgelesen werden können.

Chips kühlen und Energie gewinnen

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Hafniumdioxid kann aber noch mehr als umschaltbare Transistoren. Ferroelektrische Materialien sind immer auch pyroelektrisch. Werden sie erwärmt oder abgekühlt, polarisieren sie sich elektrisch. Bei ferroelektrischen Materialien spielt zudem das anliegende elektromagnetische Feld eine Rolle.

Wird das Feld passend gesteuert, lässt sich im Hafniumdioxid ein sogenannter Olsen-Zyklus (PDF) realisieren. Mit dem kann thermische in elektrische Energie umgesetzt werden - bis zu 300 Milliwatt pro Kubikzentimeter (mW/cm³) Chip sollen sich gewinnen lassen. Anwendungsfälle sieht Maximilian Lederer vom Fraunhofer IPMS beispielsweise bei IoT-Geräten, die möglichst wenig Energie aufnehmen sollen. Die Energiegewinnung kann dabei mit beliebigen Prozessen zur Transistorfertigung kombiniert werden. Möglich ist das, da das Hafniumdioxid während der Back-End-of-Line-Fertigung aufgebracht wird. Sie sitzt zwischen den Leitern, die Transistoren und Außenwelt verbinden.

  • Prinzip eines FeFETs: Über ein Programmier-Gate (PG) wird ein elektromagnetisches Feld gespeichert. Das Control-Gate (CG) entspricht dem normalen Gate eines MOSFETs. (Bild: Namlab)
  • Aufbau eines programmierbaren NAND/NOR-Gatters, links ein NOR-Gatter in CMOS-Technik. (Bild: Namlab)
  • Oben rechts elektronenmikroskopische Aufnahmen der zum Energy Harvesting genutzten Hafniumdioxidschicht. Unten rechts der Olsen-Zyklus mit den angelegten Feldstärken. (Bild: Fraunhofer IPMS)
  • MOSFETs und FeFETs sind fast gleich aufgebaut, allerdings behält das ferroelektrische Material ein zuvor gespeichertes elektromagnetisches Feld (blauer/roter Pfeil). (Bild: Johannes Hiltscher, Golem.de)
Oben rechts elektronenmikroskopische Aufnahmen der zum Energy Harvesting genutzten Hafniumdioxidschicht. Unten rechts der Olsen-Zyklus mit den angelegten Feldstärken. (Bild: Fraunhofer IPMS)
Erneuerbare Energien und Klimaschutz: Hintergründe - Techniken und Planung - Ökonomie und Ökologie - Energiewende (Deutsch)

Jetzt wird optimiert

Von der möglichen Energieausbeute sind die aktuellen Chips allerdings noch weit entfernt. Im Fertigungsprozess muss noch einiges optimiert werden. Bei Kleinserien im Labor ist das leicht, die geringere Flexibilität der industriellen Fertigung hingegen macht die Optimierung schwieriger. Lederer nannte als Beispiel die Leiter, mit denen das Material kontaktiert wird. Deren Widerstand sei bislang noch recht hoch, was zu Verlusten führe und die Frequenzen, mit denen das elektrische Feld angelegt wird, begrenzt. Die passende Frequenz ist allerdings wichtig für die Energiegewinnung - stimmt sie nicht, wird der Prozess ineffizient.

Auch bei den FeFETs werden noch ein paar Jahre vergehen, bis Kunden von GF sie in ihre Produkte einbauen können: Laut Sven Beyer von GF befinde man sich aktuell noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase.

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 Halbleiterfertigung: Hafniumdioxid ist mehr als ein guter Isolator
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