Onderzoekers van de Universiteit van Zuid-Florida hebben onlangs een nieuwe benadering ontwikkeld om elektromigratie te verminderen in elektronische verbindingen op nanoschaal die alomtegenwoordig zijn in geavanceerde geïntegreerde schakelingen. Dit werd bereikt door koperen metaalverbindingen te coaten met hexagonaal boornitride (hBN), een atomair dun isolerend tweedimensionaal (2-D) materiaal dat een vergelijkbare structuur heeft als het "wondermateriaal" grafeen.

Elektromigratie is het fenomeen waarbij een elektrische stroom die door een geleider gaat, de erosie op atomaire schaal van het materiaal veroorzaakt, uiteindelijk resulterend in apparaatstoring. Conventionele halfgeleidertechnologie pakt deze uitdaging aan door een barrière- of voeringmateriaal te gebruiken, maar dit neemt kostbare ruimte in beslag op de wafer die anders zou kunnen worden gebruikt om meer transistors in te pakken. Met de benadering van USF-assistent-professor Michael Cai Wang wordt hetzelfde doel bereikt, maar met de dunst mogelijke materialen ter wereld, tweedimensionale (2-D) materialen.

"Dit werk introduceert nieuwe mogelijkheden voor onderzoek naar de grensvlakinteracties tussen metalen en 2-D materialen op ångström-schaal. Het verbeteren van de prestaties van elektronische en halfgeleiderapparaten is slechts één resultaat van dit onderzoek. De bevindingen van dit onderzoek openen nieuwe mogelijkheden die kunnen helpen vooruitgang te boeken. toekomstige productie van halfgeleiders en geïntegreerde schakelingen, "Zei Wang. "Onze nieuwe inkapselingsstrategie die enkellaags hBN als barrièremateriaal gebruikt, maakt verdere schaalvergroting van de apparaatdichtheid en de progressie van de wet van Moore mogelijk." een nanometer is 1/60, 000 van de dikte van mensenhaar, en een ångström is een tiende van een nanometer. Het manipuleren van 2D-materialen van een dergelijke dunheid vereist extreme precisie en nauwgezette behandeling.

In hun recente studie gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde elektronische materialen , koperen interconnecties gepassiveerd met een monolaag hBN via een back-end-of-line (BEOL) compatibele benadering vertoonden een meer dan 2500% langere levensduur van het apparaat en een meer dan 20% hogere stroomdichtheid dan anders identieke besturingsapparaten. Deze verbetering, gekoppeld aan de ångström-dunheid van hBN in vergelijking met conventionele barrière-/voeringmaterialen, maakt verdere verdichting van geïntegreerde schakelingen mogelijk. Deze bevindingen zullen de efficiëntie van het apparaat helpen verbeteren en het energieverbruik verminderen.

"Met de groeiende vraag naar elektrische voertuigen en autonoom rijden, de vraag naar efficiëntere computers is exponentieel gegroeid. De belofte van een hogere dichtheid en efficiëntie van geïntegreerde schakelingen zal de ontwikkeling mogelijk maken van betere ASIC's (toepassingsspecifieke geïntegreerde schakelingen) die zijn afgestemd op deze opkomende behoeften aan schone energie", legt Yunjo Jeong uit, een alumnus van Wang's groep en eerste auteur van de studie.

Een gemiddelde moderne auto heeft honderden micro-elektronische componenten, en het belang van deze kleine maar kritieke componenten is vooral benadrukt door het recente wereldwijde chiptekort. Het efficiënter maken van het ontwerp en de fabricage van deze geïntegreerde schakelingen zal van cruciaal belang zijn om mogelijke toekomstige verstoringen van de toeleveringsketen te verminderen. Wang en zijn studenten onderzoeken nu manieren om hun proces te versnellen naar de fantastische schaal.

"Onze bevindingen zijn niet alleen beperkt tot elektrische verbindingen in halfgeleideronderzoek. Het feit dat we in staat waren om zo'n drastische verbetering van de verbindingsapparatuur te bereiken, betekent dat 2D-materialen ook kunnen worden toegepast op een verscheidenheid aan andere scenario's." voegde Wang toe.