La resistividad medida de las capas epitaxiales de tungsteno con orientación de cristal (001) y (011) frente al espesor d. La superficie de tungsteno Fermi está codificada por colores de acuerdo con la velocidad de Fermi dependiente del vector de onda vf. En pequeño espesor, donde domina la dispersión superficial, W (011) es casi dos veces más conductor que W (001). Las simulaciones de transporte indican que esto se debe a la anisotropía en la superficie de Fermi. Estos resultados indican cómo los cables estrechos en los futuros chips de computadora se pueden hacer dos veces más conductores, reduciendo efectivamente la energía eléctrica requerida en un 50 por ciento. Crédito:Daniel Gall, Instituto Politécnico Rensselaer
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 conduce a un aumento de la resistividad eléctrica a nanoescala. Encontrar una solución a este inminente cuello de botella técnico es un problema importante para la industria de los semiconductores.
Una posibilidad prometedora implica reducir el efecto del tamaño de la resistividad alterando la orientación cristalina de los materiales interconectados. Un par de investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer llevaron a cabo mediciones de transporte de electrones en capas de monocristal epitaxial de tungsteno (W) como una posible solución de interconexión. Realizaron simulaciones de primeros principios, encontrar un efecto dependiente de la orientación definido. El efecto de resistividad anisotrópica que encontraron fue más marcado entre capas con dos orientaciones particulares de la estructura de celosía, a saber, W (001) y W (110). El trabajo se publica esta semana en el Revista de física aplicada .
El autor Pengyuan Zheng señaló que tanto la Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores (ITRS) de 2013 como la de 2015 pedían nuevos materiales para reemplazar el cobre como material de interconexión para limitar el aumento de la 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 el tungsteno debido a su superficie asimétrica de Fermi, su estructura de energía electrónica. Esto lo convirtió en un buen candidato para demostrar el efecto de resistividad anisotrópica en las pequeñas escalas de interés. "El material a granel es completamente isotrópico, entonces 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) sobre 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. "Tuvimos aproximadamente un factor de diferencia de 2 en la resistividad entre el tungsteno orientado 001 y el tungsteno orientado 110, Gall dijo:pero encontraron una resistividad considerablemente menor en las capas W (011).
Aunque el efecto de resistencia anisotrópico medido estuvo de acuerdo con lo que esperaban de los cálculos, el camino libre medio efectivo (la distancia promedio que los electrones pueden moverse antes de dispersarse contra un límite) en los experimentos de película delgada fue mucho mayor que el valor teórico para el tungsteno a granel.
"Un electrón viaja a través de un cable en diagonal, golpea una superficie, se dispersa, y luego continúa viajando hasta que choca contra otra cosa, tal vez el otro lado del cable o una vibración de celosía, ", Dijo Gall." Pero este modelo se ve mal para cables pequeños ".
Los experimentadores creen que esto puede explicarse por los procesos de la mecánica cuántica de los electrones que surgen en estas escalas limitadas. Los electrones pueden tocar simultáneamente ambos lados del cable o experimentar un mayor acoplamiento electrón-fonón (vibraciones de celosía) a medida que disminuye el grosor de la capa, fenómenos que podrían afectar la búsqueda de otro metal que reemplace las interconexiones de cobre.
"Las ventajas de conductividad previstas del rodio, iridio y el níquel puede ser más pequeño de lo previsto, ", dijo Zheng. Hallazgos como estos serán cada vez más importantes a medida que las escalas de la mecánica cuántica se vuelvan más comunes para las demandas de las interconexiones.
El equipo de investigación continúa explorando el efecto de tamaño anisotrópico en otros metales con superficies 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 real de 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 tecnologías nuevas y en desarrollo, incluyendo conductores flexibles transparentes, termoeléctricos y memristores que potencialmente pueden almacenar información. "Es el problema que define lo que puede hacer con la próxima tecnología, "Dijo Gall.
