När mikrochips blir allt mindre och därför snabbare, den krympande storleken på deras kopparkopplingar leder till ökad elektrisk resistivitet på nanoskala. Att hitta en lösning på denna förestående tekniska flaskhals är ett stort problem för halvledarindustrin.

En lovande möjlighet innebär att reducera resistivitetsstorlekseffekten genom att ändra den kristallina orienteringen av sammankopplingsmaterial. Ett par forskare från Rensselaer Polytechnic Institute genomförde elektrontransportmätningar i epitaxiella enkristallskikt av volfram (W) som en sådan potentiell sammankopplingslösning. De utförde simuleringar av första principer, hitta en bestämd orienteringsberoende effekt. Den anisotropa resistivitetseffekten de fann var mest markant mellan skikt med två speciella orienteringar av gitterstrukturen, nämligen W(001) och W(110). Verket publiceras denna vecka i Journal of Applied Physics .

Författaren Pengyuan Zheng noterade att både 2013 och 2015 års International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) krävde nya material för att ersätta koppar som sammankopplingsmaterial för att begränsa resistansökningen i reducerad skala och minimera både strömförbrukning och signalfördröjning.

I deras studie, Zheng och medförfattaren Daniel Gall valde volfram på grund av dess asymmetriska Fermi-yta - dess elektronenergistruktur. Detta gjorde det till en bra kandidat för att demonstrera den anisotropa resistivitetseffekten på de små skalorna av intresse. "Bulkmaterialet är helt isotropt, så resistiviteten är densamma i alla riktningar, " sa Gall. "Men om vi har tunna filmer, då varierar resistiviteten avsevärt."

För att testa de mest lovande inriktningarna, forskarna odlade epitaxiella W(001) och W(110) filmer på substrat och genomförde resistivitetsmätningar av båda medan de var nedsänkta i flytande kväve vid 77 Kelvin (cirka -196 grader Celsius) och vid rumstemperatur, eller 295 Kelvin. "Vi hade ungefär en faktor 2 skillnad i resistiviteten mellan 001 orienterad volfram och 110 orienterad volfram, " sa Gall, men de fann betydligt mindre resistivitet i W(011)-skikten.

Även om den uppmätta anisotropa resistenseffekten överensstämde väl med vad de förväntade sig från beräkningar, den effektiva genomsnittliga fria banan - det genomsnittliga avståndet som elektroner kan röra sig innan de sprids mot en gräns - i tunnfilmsexperimenten var mycket större än det teoretiska värdet för volfram i bulk.

"En elektron färdas genom en tråd på en diagonal, den träffar en yta, blir utspridda, och fortsätter sedan resa tills det träffar något annat, kanske den andra sidan av tråden eller en gittervibration, "Men den här modellen ser fel ut för små kablar."

Experimentörerna tror att detta kan förklaras av kvantmekaniska processer av elektronerna som uppstår på dessa begränsade skalor. Elektroner kan samtidigt vidröra båda sidor av tråden eller uppleva ökad elektron-fonon (gittervibrationer) koppling när skikttjockleken minskar, fenomen som kan påverka sökandet efter en annan metall för att ersätta kopparkopplingar.

"De tänkta konduktivitetsfördelarna med rodium, iridium, och nickel kan vara mindre än förutspått, ", sa Zheng. Fynd som dessa kommer att visa sig allt viktigare när kvantmekaniska skalor blir vanligare för kraven på sammankopplingar.

Forskargruppen fortsätter att utforska den anisotropiska storlekseffekten i andra metaller med icke-sfäriska Fermi-ytor, såsom molybden. De fann att orienteringen av ytan i förhållande till lagerorienteringen och transportriktningen är avgörande, eftersom den bestämmer den faktiska ökningen i resistivitet vid dessa reducerade dimensioner.

"Resultaten som presenteras i detta dokument visar tydligt att det korrekta valet av kristallin orientering har potentialen att minska nanotrådsmotståndet, ", sa Zheng. Vikten av arbetet sträcker sig bortom nuvarande nanoelektronik till ny och utvecklande teknologi, inklusive transparenta flexibla ledare, termoelektriska och memristorer som potentiellt kan lagra information. "Det är problemet som definierar vad du kan göra i nästa teknik, sa Gall.