Interconnect-Technologie 1D-Material erreicht viel höhere Stromdichte als Kupfer

Microscopy image of an electronic device made with 1D ZrTe3 nanoribbons. The nanoribbon channel is indicated in green color. The metal contacts are shown in yellow color. Note than owing to the nanometer scale thickness the yellow metal contacts appear to be under the green channel while in reality they are on top. Pseudo-colors were used for clarity to show the nanoribbon and contacts.
Mikroskopbild eines elektronischen Halbleiterbauelements mit 1D-Nanobändern aus Zirkoniumtritellurid. Der Nanoband-Kanal wird in Grün angezeigt. Die Metallkontakte sind gelb dargestellt. Beachten Sie, dass die gelben Metallkontakte aufgrund der nanometergroßen Dicke unter dem grünen Kanal zu liegen scheinen, in Wirklichkeit liegen sie jedoch oben. Pseudofarben dienten zur besseren Unterscheidung der Nanobänder und Kontakte.

Interconnects gelten als Flaschenhals zukünftiger Halbleiter, da die Geometrien weiter schrumpfen. Forscher der UC Riverside haben Prototypen aus einem exotischen, eindimensionalen Material vorgestellt, das eine Stromdichte aufweist, die 50-mal höher ist als die herkömmlicher Kupfer-Interconnects.

Die Stromdichte ist der Wert des elektrischen Stroms pro Querschnittsfläche an einem bestimmten Punkt. Da Transistoren in integrierten Schaltungen immer kleiner werden, sind immer höhere Stromdichten erforderlich, damit sie auf dem gewünschten Niveau arbeiten können. Die meisten herkömmlichen elektrischen Leiter, wie z.B. Kupfer, neigen dazu, durch Überhitzung oder andere Faktoren bei hohen Stromdichten durchzuschmelzen. Deshalb benötigt die Elektronikindustrie Alternativen zu Silizium und Kupfer, die extrem hohe Stromdichten von wenigen Nanometern aushalten können.

Das Aufkommen von Graphen führte zu umfangreichen, weltweiten Bemühungen, andere zweidimensionale (2D) Schichtmaterialien zu untersuchen, die den Bedarf an Nano-Elektronikkomponenten decken und die hohe Stromdichten tragen können. Während 2D-Materialien aus einer einzigen Schicht von Atomen bestehen, handelt es sich bei 1D-Materialien um einzelne Ketten von Atomen, die schwach aneinander gebunden sind. Ihr Potenzial für die Elektronik ist noch nicht umfassend untersucht worden. Man kann sich 2D-Materialien als dünne Brotscheiben vorstellen, während 1D-Materialien Spaghetti gleichen. Im Vergleich zu 1D-Materialien wirken 2D-Materialien riesig.

Eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Alexander A. Balandin, einem renommierten Professor für Elektrotechnik und Informatik am Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering an der University of California, Riverside, entdeckte, dass Nanobänder aus Zirkoniumtritellurid (ZrTe3) eine außergewöhnlich hohe Stromdichte bieten, die weit über der von herkömmlichen Metallen wie Kupfer liegt. Die neue Strategie des Teams der UC Riverside treibt die Forschung von zweidimensionalen zu eindimensionalen Materialien voran – vielleicht ein wichtiger Fortschritt für die zukünftige Generation der Elektronik.

Vorteile von 1D-Materialien

»Konventionelle Metalle sind polykristallin. Sie haben Korngrenzen und Oberflächenrauheiten, die Elektronen streuen«, sagte Balandin. »Quasi-eindimensionale Materialien wie Zirkoniumtritellurid bestehen aus einkristallinen Atomketten in einer Richtung. Sie haben keine Korngrenzen und haben nach dem Exfolieren oft atomar glatte Oberflächen. Wir erklärten die außergewöhnlich hohe Stromdichte in Zirkoniumtritellurid mit der einkristallinen Natur von Quasi-1D-Materialien.«

Im Prinzip könnten solche Quasi-1D-Materialien direkt zu Nanodrähten mit einem Querschnitt gezüchtet werden, der einem einzelnen Atomfaden oder einer einzelnen Kette entspricht. In der vorliegenden Studie war das Niveau des von den ZrTe3-Nanodrähten getragenen Stroms höher als bei allen Metallen oder anderen 1D-Materialien. Es erreicht fast die derzeitige Stromdichte von Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen.

Elektronische Komponenten sind auf eine spezielle Verschaltung angewiesen, um Informationen zwischen verschiedenen Teilen eines Stromkreises oder Systems zu übertragen. Da Entwickler immer kleinere Komponenten entwerfen, müssen auch ihre Bestandteile und die Verbindungsleitungen immer kleiner werden. Je nach Konfiguration lassen sich die ZrTe3-Nanobänder entweder zu lokalen Verbindungen im Nanometerbereich oder zu Gerätekanälen für Komponenten kleinster Bauelemente verarbeiten.

Die Experimente der Forschergruppe der UC Riverside wurden mit Nanobändern durchgeführt, die aus einer vorgefertigten Materialbahn geschnitten wurden. Industrielle Anwendungen müssen Nanobänder direkt auf dem Wafer züchten. Dieser Herstellungsprozess befindet sich bereits in der Entwicklung, und Balandin glaubt, dass 1D-Nanomaterialien Möglichkeiten für Anwendungen in der zukünftigen Elektronik bieten.

»Das Spannendste an den Quasi-1D-Materialien ist, dass sie wirklich in die Kanäle hinein synthetisiert oder mit dem ultimativ kleinen Querschnitt eines Atomfadens verbunden werden können – etwa ein Nanometer mal ein Nanometer«, sagte Balandin.

Die Ergebnisse dieser Untersuchung erscheinen diesen Monat in den IEEE Electron Device Letters [A. Geremew, M. A. Bloodgood, E. Aytan, B. W. K. Woo, S. R. Corber, G. Liu, K. Bozhilov, T. T. Salguero, S. Rumyantsev, M. P. Rao und A. A. Balandin, Current Carrying Capacity of Quasi-1DZrTe3 van der Waals Nanoribbons, IEEE, Electron. Device Lett., 39, 735 (2018)]. Adane Geremew, der Erstautor des Artikels, ist Doktorand in Balandin's Gruppe. Professor Tina Salguero, University of Georgia, synthetisierte die zur Exfoliation von Nanobändern verwendeten Ausgangsmaterialien.