La résistivité mesurée des couches épitaxiées de tungstène avec une orientation cristalline (001) et (011) en fonction de l'épaisseur d. La surface de Fermi en tungstène est codée par couleur selon la vitesse de Fermi dépendant du vecteur d'onde vf. A faible épaisseur, où la diffusion de surface domine, W(011) est presque deux fois plus conducteur que W(001). Les simulations de transport indiquent que cela est dû à l'anisotropie de la surface de Fermi. Ces résultats indiquent comment les fils étroits des futures puces informatiques peuvent être rendus deux fois plus conducteurs, réduire efficacement la puissance électrique requise de 50 pour cent. Crédit :Daniel Gall, Institut polytechnique Rensselaer
Alors que les puces électroniques deviennent de plus en plus petites et donc plus rapides, la taille réduite de leurs interconnexions en cuivre entraîne une augmentation de la résistivité électrique à l'échelle nanométrique. Trouver une solution à ce goulot d'étranglement technique imminent est un problème majeur pour l'industrie des semi-conducteurs.
Une possibilité prometteuse consiste à réduire l'effet de taille de résistivité en modifiant l'orientation cristalline des matériaux d'interconnexion. Une paire de chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute a effectué des mesures de transport d'électrons dans des couches épitaxiales monocristallines de tungstène (W) en tant que solution d'interconnexion potentielle. Ils ont effectué des simulations de principes premiers, trouver un effet défini dépendant de l'orientation. L'effet de résistivité anisotrope qu'ils ont trouvé était le plus marqué entre les couches avec deux orientations particulières de la structure du réseau, à savoir W(001) et W(110). L'ouvrage est publié cette semaine dans le Journal de physique appliquée .
L'auteur Pengyuan Zheng a noté que la feuille de route technologique internationale 2013 et 2015 pour les semi-conducteurs (ITRS) appelait à de nouveaux matériaux pour remplacer le cuivre en tant que matériau d'interconnexion afin de limiter l'augmentation de la résistance à une échelle réduite et de minimiser à la fois la consommation d'énergie et le retard du signal.
Dans leur étude, Zheng et son co-auteur Daniel Gall ont choisi le tungstène en raison de sa surface de Fermi asymétrique, c'est-à-dire sa structure énergétique électronique. Cela en a fait un bon candidat pour démontrer l'effet de résistivité anisotrope aux petites échelles d'intérêt. "Le matériau en vrac est complètement isotrope, donc la résistivité est la même dans toutes les directions, " Gall a dit. " Mais si nous avons des films minces, alors la résistivité varie considérablement."
Pour tester les orientations les plus prometteuses, les chercheurs ont développé des films épitaxiaux W(001) et W(110) sur des substrats et ont effectué des mesures de résistivité des deux en étant immergés dans de l'azote liquide à 77 Kelvin (environ -196 degrés Celsius) et à température ambiante, ou 295 Kelvin. "Nous avions une différence d'environ un facteur 2 dans la résistivité entre le tungstène orienté 001 et le tungstène orienté 110, " Gall a dit, mais ils ont trouvé une résistivité considérablement plus faible dans les couches W(011).
Bien que l'effet de résistance anisotrope mesuré soit en bon accord avec ce qu'ils attendaient des calculs, le libre parcours moyen effectif (la distance moyenne que les électrons peuvent parcourir avant de se disperser contre une frontière) dans les expériences sur couche mince était beaucoup plus grand que la valeur théorique pour le tungstène en vrac.
"Un électron traverse un fil en diagonale, il touche une surface, se disperse, puis continue de voyager jusqu'à ce qu'il heurte quelque chose d'autre, peut-être l'autre côté du fil ou une vibration du réseau, " Gall a déclaré. "Mais ce modèle ne convient pas aux petits fils."
Les expérimentateurs pensent que cela peut s'expliquer par les processus de mécanique quantique des électrons qui surviennent à ces échelles limitées. Les électrons peuvent toucher simultanément les deux côtés du fil ou subir un couplage électron-phonon (vibrations du réseau) accru à mesure que l'épaisseur de la couche diminue, phénomènes qui pourraient affecter la recherche d'un autre métal pour remplacer les interconnexions en cuivre.
"Les avantages de conductivité envisagés du rhodium, iridium, et le nickel peut être plus petit que prévu, ", a déclaré Zheng. De telles découvertes s'avéreront de plus en plus importantes à mesure que les échelles de mécanique quantique deviendront de plus en plus courantes pour les demandes d'interconnexions.
L'équipe de recherche continue d'explorer l'effet de taille anisotrope dans d'autres métaux à surfaces de Fermi non sphériques, comme le molybdène. Ils ont constaté que l'orientation de la surface par rapport à l'orientation de la couche et à la direction de transport est vitale, car il détermine l'augmentation réelle de la résistivité à ces dimensions réduites.
"Les résultats présentés dans cet article démontrent clairement que le choix correct de l'orientation cristalline a le potentiel de réduire la résistance des nanofils, " a déclaré Zheng. L'importance du travail s'étend au-delà de la nanoélectronique actuelle aux technologies nouvelles et en développement, y compris les conducteurs flexibles transparents, thermoélectriques et memristors qui peuvent potentiellement stocker des informations. "C'est le problème qui définit ce que vous pouvez faire dans la prochaine technologie, ", a déclaré Gall.
