A medida que los microchips se vuelven cada vez más pequeños y, por lo tanto, más rápidos, el tamaño cada vez menor de sus interconexiones de cobre aumenta la resistividad eléctrica a nanoescala. Encontrar una solución a este cuello de botella técnico inminente es un problema importante para la industria de los semiconductores.
Una posibilidad prometedora implica reducir el efecto del tamaño de resistividad al alterar la orientación cristalina de los materiales de interconexión. Un par de investigadores del Rensselaer Polytechnic Institute realizó mediciones de transporte de electrones en capas epitaxiales de cristal único de tungsteno W como una solución potencial de interconexión.Realizaron simulaciones de primeros principios, encontrando un efecto definido dependiente de la orientación. El efecto de resistividad anisotrópica que encontraron fue más marcado entre las capas con dos orientaciones particulares de la estructura reticular, a saber, W 001 y W 110.esta semana en el Revista de Física Aplicada , de AIP Publishing.
El autor Pengyuan Zheng señaló que tanto la Hoja de ruta internacional de tecnología para semiconductores ITRS de 2013 como la de 2015 exigían nuevos materiales para reemplazar el cobre como material de interconexión para limitar el aumento de resistencia a escala reducida y minimizar tanto el consumo de energía como el retraso de la señal.
En su estudio, Zheng y el coautor Daniel Gall eligieron tungsteno debido a su superficie asimétrica de Fermi, su estructura de energía de electrones. Esto lo convirtió en un buen candidato para demostrar el efecto de resistividad anisotrópica a escalas pequeñas de interés "."El material es completamente isotrópico, por lo que la resistividad es la misma en todas las direcciones", dijo Gall. "Pero si tenemos películas delgadas, entonces la resistividad varía considerablemente".
Para probar las orientaciones más prometedoras, los investigadores cultivaron películas epitaxiales W 001 y W 110 en sustratos y realizaron mediciones de resistividad de ambos mientras estaban sumergidos en nitrógeno líquido a 77 Kelvin aproximadamente -196 grados Celsius y a temperatura ambiente, o 295 Kelvin. "Teníamos aproximadamente un factor de diferencia de 2 en la resistividad entre el tungsteno orientado 001 y el tungsteno orientado 110", dijo Gall, pero encontraron una resistividad considerablemente menor en las capas W 011.
Aunque el efecto de resistencia anisotrópica medido estuvo de acuerdo con lo que esperaban de los cálculos, la trayectoria libre media efectiva --la distancia promedio que los electrones pueden moverse antes de dispersarse contra un límite-- en los experimentos de película delgada fue mucho mayor que la teóricavalor para tungsteno a granel.
"Un electrón viaja a través de un cable en diagonal, golpea una superficie, se dispersa, y luego continúa viajando hasta que golpea algo más, tal vez el otro lado del cable o una vibración reticular", dijo Gall. "Pero estoel modelo se ve mal para cables pequeños "
Los experimentadores creen que esto puede explicarse por procesos mecánicos cuánticos de los electrones que surgen en estas escalas limitadas. Los electrones pueden estar tocando simultáneamente ambos lados del cable o experimentar un mayor acoplamiento de electrón-fonón vibraciones de red a medida que disminuye el espesor de la capa,fenómenos que podrían afectar la búsqueda de otro metal para reemplazar las interconexiones de cobre.
"Las ventajas de conductividad previstas de rodio, iridio y níquel pueden ser más pequeñas de lo previsto", dijo Zheng. Hallazgos como estos serán cada vez más importantes a medida que las escalas mecánicas cuánticas se vuelvan más comunes para las demandas de interconexiones.
El equipo de investigación continúa explorando el efecto del tamaño anisotrópico en otros metales con superficies de Fermi no esféricas, como el molibdeno. Descubrieron que la orientación de la superficie en relación con la orientación de la capa y la dirección de transporte es vital, ya que determina el aumento realen resistividad en estas dimensiones reducidas.
"Los resultados presentados en este documento demuestran claramente que la elección correcta de la orientación cristalina tiene el potencial de reducir la resistencia de los nanocables", dijo Zheng. La importancia del trabajo se extiende más allá de la nanoelectrónica actual a las tecnologías nuevas y en desarrollo, incluidos los conductores flexibles transparentes,termoeléctrica y memristors que potencialmente pueden almacenar información. "Es el problema que define lo que puede hacer en la próxima tecnología", dijo Gall.
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Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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