La resistività misurata degli strati di tungsteno epitassiale con orientamento dei cristalli (001) e (011) rispetto allo spessore d. La superficie di Fermi in tungsteno è codificata a colori in base alla velocità di Fermi dipendente dal vettore d'onda vf. A piccolo spessore, dove domina la dispersione superficiale, W(011) è quasi due volte più conduttivo di W(001). Le simulazioni di trasporto indicano che ciò è dovuto all'anisotropia nella superficie di Fermi. Questi risultati indicano come i fili stretti nei futuri chip per computer possano essere resi due volte più conduttivi, riducendo efficacemente la potenza elettrica richiesta del 50 percento. Credito:Daniel Gallo, Istituto Politecnico Rensselaer
Man mano che i microchip diventano sempre più piccoli e quindi più veloci, la riduzione delle dimensioni delle loro interconnessioni in rame porta ad una maggiore resistività elettrica su scala nanometrica. Trovare una soluzione a questo imminente collo di bottiglia tecnico è un grosso problema per l'industria dei semiconduttori.
Una possibilità promettente consiste nel ridurre l'effetto della dimensione della resistività alterando l'orientamento cristallino dei materiali di interconnessione. Una coppia di ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute ha condotto misurazioni del trasporto di elettroni in strati epitassiali di un singolo cristallo di tungsteno (W) come una tale potenziale soluzione di interconnessione. Hanno eseguito simulazioni dei primi principi, trovare un preciso effetto dipendente dall'orientamento. L'effetto di resistività anisotropa che hanno trovato era più marcato tra strati con due particolari orientamenti della struttura reticolare, vale a dire W(001) e W(110). L'opera è pubblicata questa settimana su Rivista di fisica applicata .
L'autore Pengyuan Zheng ha osservato che sia la Roadmap tecnologica internazionale per i semiconduttori (ITRS) del 2013 che quella del 2015 richiedevano nuovi materiali per sostituire il rame come materiale di interconnessione per limitare l'aumento della resistenza su scala ridotta e ridurre al minimo sia il consumo di energia che il ritardo del segnale.
Nel loro studio, Zheng e il coautore Daniel Gall hanno scelto il tungsteno per la sua superficie di Fermi asimmetrica, la sua struttura energetica degli elettroni. Ciò lo ha reso un buon candidato per dimostrare l'effetto di resistività anisotropa alle piccole scale di interesse. "Il materiale sfuso è completamente isotropo, quindi la resistività è la stessa in tutte le direzioni, " disse Gall. "Ma se abbiamo pellicole sottili, allora la resistività varia considerevolmente."
Per testare gli orientamenti più promettenti, i ricercatori hanno coltivato pellicole epitassiali W(001) e W(110) su substrati e hanno condotto misurazioni della resistività di entrambi mentre erano immersi in azoto liquido a 77 Kelvin (circa -196 gradi Celsius) e a temperatura ambiente, o 295 Kelvin. "Avevamo circa un fattore 2 di differenza nella resistività tra il tungsteno orientato 001 e il tungsteno orientato 110, "Gall ha detto, ma hanno trovato una resistività considerevolmente minore negli strati W(011).
Sebbene l'effetto di resistenza anisotropa misurato fosse in buon accordo con quanto previsto dai calcoli, il percorso libero medio effettivo - la distanza media che gli elettroni possono percorrere prima di disperdersi contro un confine - negli esperimenti sul film sottile era molto più grande del valore teorico per il tungsteno sfuso.
"Un elettrone viaggia in diagonale attraverso un filo, colpisce una superficie, si disperde, e poi continua a viaggiare finché non colpisce qualcos'altro, forse l'altro capo del filo o una vibrazione reticolare, " Gall ha detto. "Ma questo modello sembra sbagliato per i fili piccoli".
Gli sperimentatori ritengono che ciò possa essere spiegato dai processi quantistici degli elettroni che si verificano su queste scale limitate. Gli elettroni possono toccare simultaneamente entrambi i lati del filo o sperimentare un aumento dell'accoppiamento elettrone-fonone (vibrazioni reticolari) quando lo spessore dello strato diminuisce, fenomeni che potrebbero influenzare la ricerca di un altro metallo per sostituire le interconnessioni in rame.
"I vantaggi di conducibilità previsti del rodio, iridio, e il nichel potrebbe essere più piccolo del previsto, " ha affermato Zheng. Risultati come questi si dimostreranno sempre più importanti man mano che le scale della meccanica quantistica diventeranno più comuni per le esigenze delle interconnessioni.
Il team di ricerca sta continuando a esplorare l'effetto della dimensione anisotropa in altri metalli con superfici di Fermi non sferiche, come il molibdeno. Hanno scoperto che l'orientamento della superficie rispetto all'orientamento dello strato e alla direzione di trasporto è vitale, in quanto determina l'effettivo aumento della resistività a queste dimensioni ridotte.
"I risultati presentati in questo documento dimostrano chiaramente che la scelta corretta dell'orientamento cristallino ha il potenziale per ridurre la resistenza dei nanofili, " ha affermato Zheng. L'importanza del lavoro si estende oltre l'attuale nanoelettronica alle tecnologie nuove e in via di sviluppo, compresi conduttori flessibili trasparenti, termoelettrici e memristori che possono potenzialmente immagazzinare informazioni. "È il problema che definisce cosa puoi fare nella prossima tecnologia, " disse Gallo.
