Omdat microchips steeds kleiner en dus sneller worden, de krimpende grootte van hun koperverbindingen leidt tot verhoogde elektrische weerstand op nanoschaal. Het vinden van een oplossing voor dit dreigende technische knelpunt is een groot probleem voor de halfgeleiderindustrie.

Een veelbelovende mogelijkheid omvat het verminderen van het effect van de soortelijke weerstand door de kristallijne oriëntatie van verbindingsmaterialen te veranderen. Een paar onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute voerde elektronentransportmetingen uit in epitaxiale eenkristallagen van wolfraam (W) als zo'n potentiële verbindingsoplossing. Ze voerden eerste-principesimulaties uit, het vinden van een duidelijk oriëntatie-afhankelijk effect. Het anisotrope resistiviteitseffect dat ze vonden, was het meest uitgesproken tussen lagen met twee specifieke oriëntaties van de roosterstructuur, namelijk W(001) en W(110). Het werk is deze week gepubliceerd in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde .

Auteur Pengyuan Zheng merkte op dat zowel in de International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) van 2013 als in 2015 werd opgeroepen tot nieuwe materialen ter vervanging van koper als verbindingsmateriaal om de weerstandstoename op kleinere schaal te beperken en zowel het stroomverbruik als de signaalvertraging te minimaliseren.

In hun studie hebben Zheng en co-auteur Daniel Gall kozen voor wolfraam vanwege het asymmetrische Fermi-oppervlak - de elektronenenergiestructuur. Dit maakte het een goede kandidaat om het anisotrope resistiviteitseffect op de kleine schaal van belang aan te tonen. "Het bulkmateriaal is volledig isotroop, dus de soortelijke weerstand is in alle richtingen hetzelfde, " zei Gall. "Maar als we dunne films hebben, dan varieert de soortelijke weerstand aanzienlijk."

Om de meest veelbelovende oriëntaties te testen, de onderzoekers groeiden epitaxiale W(001)- en W(110)-films op substraten en voerden weerstandsmetingen uit van beide terwijl ze waren ondergedompeld in vloeibare stikstof bij 77 Kelvin (ongeveer -196 graden Celsius) en bij kamertemperatuur, of 295 Kelvin. "We hadden ongeveer een factor 2 verschil in de soortelijke weerstand tussen de 001 georiënteerde wolfraam en 110 georiënteerde wolfraam, "Gal zei, maar ze vonden een aanzienlijk kleinere soortelijke weerstand in de W(011)-lagen.

Hoewel het gemeten anisotrope resistentie-effect goed overeenkwam met wat ze van berekeningen verwachtten, het effectieve gemiddelde vrije pad - de gemiddelde afstand die elektronen kunnen bewegen voordat ze tegen een grens verstrooien - in de dunne-filmexperimenten was veel groter dan de theoretische waarde voor bulkwolfraam.

"Een elektron reist door een draad op een diagonaal, het raakt een oppervlak, raakt verstrooid, en reist dan verder totdat het iets anders raakt, misschien de andere kant van de draad of een tralietrilling, ' zei Gall. 'Maar dit model ziet er niet goed uit voor kleine draden.'

De onderzoekers denken dat dit kan worden verklaard door kwantummechanische processen van de elektronen die op deze beperkte schaal ontstaan. Elektronen kunnen tegelijkertijd beide zijden van de draad raken of een verhoogde elektron-fonon (roostertrillingen) koppeling ervaren naarmate de laagdikte afneemt, fenomenen die van invloed kunnen zijn op de zoektocht naar een ander metaal om koperverbindingen te vervangen.

"De beoogde geleidbaarheidsvoordelen van rhodium, iridium, en nikkel kan kleiner zijn dan voorspeld, "zei Zheng. Bevindingen zoals deze zullen steeds belangrijker worden naarmate kwantummechanische schalen steeds gebruikelijker worden voor de eisen van onderlinge verbindingen.

Het onderzoeksteam blijft het anisotrope grootte-effect onderzoeken in andere metalen met niet-sferische Fermi-oppervlakken, zoals molybdeen. Ze ontdekten dat de oriëntatie van het oppervlak ten opzichte van de laagoriëntatie en transportrichting van vitaal belang is, omdat het de werkelijke toename van de soortelijke weerstand bij deze kleinere afmetingen bepaalt.

"De resultaten die in dit artikel worden gepresenteerd, tonen duidelijk aan dat de juiste keuze van kristallijne oriëntatie het potentieel heeft om de weerstand van nanodraad te verminderen, " zei Zheng. Het belang van het werk reikt verder dan de huidige nano-elektronica tot nieuwe en zich ontwikkelende technologieën, inclusief transparante flexibele geleiders, thermo-elektriciteit en memristors die mogelijk informatie kunnen opslaan. "Het is het probleem dat bepaalt wat je kunt doen in de volgende technologie, ' zei Gall.