Выявлены проблемы, стоящие перед разработчиками компьютерных микросхем будущего

Удивительные результаты нового исследования могут повлиять на выбор материалов в наноэлектронике.

Чтобы создать компьютерные микросхемы будущего, разработчикам предстоит понять, как электрический заряд ведет себя, когда он ограничен металлическими проводами диаметром лишь несколько атомов.

Группа физиков из университета Макгилла в сотрудничестве с исследователями из General Motors R&D, показала, что электрический ток можно сократить, когда совмещаются провода от двух несходных металлов. Удивительно острое сокращение тока выявляет существенную проблему, которая может сформировать выбор материалов и проект устройства в растущей области наноэлектроники.

Размер деталей электронных схем сокращается ежегодно, благодаря агрессивной миниатюризации, описанной законом Мура, согласно которому плотность транзисторов на интегральных схемах будет удваиваться каждые 18 месяцев или около того. Стабильный прогресс позволил носить компьютеры в кармане, однако он же приводит к серьезным проблемам. Поскольку размеры деталей сокращаются до атомного уровня, электрическое сопротивление более не увеличивается последовательно с сокращением устройства; вместо этого сопротивление совершает прыжки, демонстрируя противоинтуитивные эффекты квантовой механики, сообщил профессор физики Питер Грюттер.

«Здесь можно использовать в качестве аналогии водный шланг», пояснил Грюттер. „Если давление воды постоянно, с сокращением диаметра шланга выходит меньше воды. Однако если сократить диаметр шланга до нескольких атомов, дальнейшее его сокращение не будет пропорциональным уменьшению потока воды: все будет изменяться по квантовому сценарию“.

Именно эту квантовую странность и описали ученые в издании Proceedings of the National Academy of Sciences. Они исследовали ультрамаленьких контакт между золотом и вольфрамом — двумя металлами, используемыми в настоящее время в сочетании в компьютерных микросхемах для соединения различных функциональных компонентов устройства.

На экспериментальной стороне исследования профессор Грюттер с коллегами использовали передовые технологии микроскопии для получения изображения вольфрамовой и золотой поверхности с атомной точностью и механического их совмещения полностью контролируемым способом. Электрический ток, проходящий через полученный контакт, был намного ниже ожидаемого. Механической моделирование атомного строения этого контакта было сделано в сотрудничестве с исследователем Yue Qi из Центра General Motors R&D в Мичигане.

Современное электрическое моделирование Джесси Массена из группы профессора Hong Guo подтвердило этот результат, показав, что несходные электронные структуры двух металлов приводят к четырехкратному сокращению текущего потока, даже в самом лучшем интерфейсе. Также ученые обнаружили, что дефекты кристалла — смещения обычно идеальной упорядоченности атомов — произведены совмещением двух материалов в рамках механического контакта и являлись причиной наблюдаемого сокращения тока.

„Величина этого сокращения намного выше ожидаемой многими экспертами, примерно в 10 раз“, отметил профессор Грюттер.

Результаты исследования указывают на необходимость будущего исследования методов преодоления этой проблемы, возможно, посредством выбора материалов или других методов обработки. „Первый шаг к нахождению решения — это осведомленность о проблеме“, отметил Грюттер. „Впервые мы продемонстрировали, что это основная проблема для наноэлектронных систем“.

07.11.2012