В течение многих лет материал, называемый нитридом тантала, образует защитный слой в проводах для микросхем.Теперь эксперименты под руководством Стэнфорда демонстрируют, что другой материал оболочки, графен, может помочь электронам быстрее проходить через крошечные медные провода в микросхемах.Графен представляет собой одинарный слой атомов углерода, расположенных в прочной, но тонкой решетке.
Стэнфордский инженер-электрик Х.-С. Филип Вонг говорит, что это скромное решение, использующее графен для намотки проводов, может позволить транзисторам обмениваться данными быстрее, чем это возможно в настоящее время.
И преимущества использования графена станут больше в будущем, поскольку транзисторы будут продолжать сокращаться.«Исследователи добились огромных успехов по всем другим компонентам микросхем, но в последнее время не было большого прогресса в улучшении характеристик проводов», — сказал он.
Вонг возглавил команду из шести исследователей, в том числе двух из Университета Висконсин-Мэдисон, которые представят свои выводы на симпозиуме по технологиям и схемам СБИС в Киото, ведущем месте для электронной промышленности.Лин Ли, аспирант по электротехнике в Стэнфорде и первый автор исследовательской работы, объяснил, почему изменение внешней оболочки соединительных проводов может так сильно повлиять на производительность микросхемы.
Он начинается с понимания двойной роли этого защитного слоя: он изолирует медь от кремния на кристалле, а также служит для проведения электричества.В кремниевых микросхемах транзисторы действуют как крошечные вентили, включающие и выключающие электроны. Эта функция переключения — то, как транзисторы обрабатывают данные.
Медные провода между транзисторами передают эти данные после их обработки.Изолирующий материал — в настоящее время нитрид тантала — предотвращает проникновение меди в кремниевые транзисторы и вывод их из строя.
Зачем переходить на графен?Две причины, начиная с непрекращающегося желания делать электронные компоненты меньше.
Когда команда из Стэнфорда использовала самый тонкий слой нитрида тантала, необходимый для выполнения этой изолирующей функции, они обнаружили, что промышленный стандарт был в восемь раз толще, чем слой графена, который выполнял ту же работу.У графена было второе преимущество в качестве защитной оболочки, и здесь важно различать, как этот внешний слой функционирует в проводах для микросхем по сравнению с проводами в домашних условиях.
В домашних проводах внешний слой изолирует медь, чтобы предотвратить поражение электрическим током или возгорание.В чипе слой вокруг проводов является барьером, препятствующим проникновению атомов меди в кремний.
Если бы это произошло, транзисторы перестали бы работать. Таким образом, защитный слой изолирует медь от кремния.
Стэнфордский эксперимент показал, что графен может выполнять эту изолирующую роль, а также служить вспомогательным проводником электронов. Его решетчатая структура позволяет электронам переходить от атома углерода к атому углерода прямо по проводу, при этом эффективно удерживая атомы меди внутри медного провода.Эти преимущества — тонкость графенового слоя и его двойная роль в качестве изолятора и вспомогательного проводника — позволяют этой новой технологии проводов передавать больше данных между транзисторами, повышая общую производительность чипа в процессе.В сегодняшних чипах преимущества скромные; графеновый изолятор повысит скорость проволоки с четырех до 17 процентов, в зависимости от длины проволоки.
Но по мере того, как транзисторы и провода продолжают уменьшаться в размерах, преимущества ультратонкого, но проводящего графенового изолятора становятся все больше. Инженеры Стэнфордского университета подсчитали, что их технология может увеличить скорость передачи проводов на 30 процентов в следующих двух поколениях.Исследователи из Стэнфорда считают, что обещание более быстрых вычислений побудит других исследователей заинтересоваться проводами и поможет преодолеть некоторые препятствия, необходимые для внедрения этого доказательства принципа в повседневную практику.
Это будет включать в себя методы выращивания графена, особенно выращивание его непосредственно на проволоке, в то время как чипы производятся массово. Помимо своего сотрудника из Университета Висконсина профессора Майкла Арнольда, Вонг процитировал профессора Университета Пердью Чжихонга Чена. Вонг отметил, что идея использования графена в качестве изолятора была вдохновлена профессором Корнельского университета Полом МакИуэном и его новаторским исследованием основных свойств этого чудесного материала. Александр Баландин из Калифорнийского университета в Риверсайде также внес вклад в использование графена в чипах.
«Долгое время обещали, что графен принесет пользу электронной промышленности, и использование его в качестве медного барьера, возможно, является первой реализацией этого обещания», — сказал Вонг.Эксперименты под руководством Стэнфорда частично спонсировались Центром STARnet FAME, Национальным научным фондом и Стэнфордской инициативой по наноразмерным материалам и процессам.