De 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 ultramoderne geïntegreerde schakelingen. Dit werd bereikt door koperen metalen verbindingen te coaten met hexagonaal boornitride (hBN), een atomair dun isolerend tweedimensionaal (2D) 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 van het materiaal op atomaire schaal veroorzaakt, wat uiteindelijk resulteert in het uitvallen van het apparaat. Conventioneel Halfgeleider technologie 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. De aanpak van USF werktuigbouwkundig assistent-professor Michael Cai Wang bereikt hetzelfde doel, maar dan met de dunst mogelijke materialen ter wereld, tweedimensionale (2D) materialen.
“Dit werk introduceert nieuwe mogelijkheden voor onderzoek naar de grensvlakinteracties tussen metalen en 2D-materialen op ångström-schaal. Verbetering van elektronische en halfgeleider De prestaties van apparaten zijn slechts één resultaat van dit onderzoek. De bevindingen uit deze studie openen nieuwe mogelijkheden die de toekomstige productie van halfgeleiders en geïntegreerde schakelingen kunnen helpen vooruitgaan”, aldus Wang. "Onze nieuwe inkapselingsstrategie, waarbij enkellaags hBN als barrièremateriaal wordt gebruikt, maakt een verdere schaalvergroting van de apparaatdichtheid en de progressie van de wet van Moore mogelijk." Ter referentie: 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 met een dergelijke dunheid vereist extreme precisie en nauwgezette behandeling.
In hun recente studie gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerd elektronisch Materialen, koperen verbindingen 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 meer dan 20% hogere stroomdichtheid dan anderszins identieke besturingsapparaten. Deze verbetering, in combinatie met de ångström-dunheid van hBN in vergelijking met conventionele barrière-/voeringmaterialen, maakt een verdere verdichting van geïntegreerde schakelingen mogelijk. Deze bevindingen zullen helpen de efficiëntie van het apparaat te verbeteren en het energieverbruik te verminderen.
“Met de groeiende vraag naar elektrische voertuigen en autonoom rijden, is de vraag naar efficiënter computergebruik 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 toegesneden op deze opkomende behoeften aan schone energie', legt Yunjo Jeong uit, een alumnus van Wang's groep en eerste auteur van het onderzoek.
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 tekort aan chips. 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 naar de fab-schaal te versnellen.
“Onze bevindingen beperken zich niet alleen tot elektrische verbindingen in halfgeleider onderzoek. Het feit dat we zo'n drastische verbetering van het verbindingsapparaat hebben kunnen realiseren, impliceert dat 2D-materialen ook kunnen worden toegepast op tal van andere scenario's." voegde Wang eraan toe.