Ballistinen kuljetus osoitettu ohuissa kuparikalvoissa

POSTECHin professori Gil-Ho Leen, Pusanin professori Se-Young Jeongin ja Mississipin professori Seong-Gon Kimin johtama yhdessä johtama tutkimusryhmä ilmoitti kokeellisesti havainneensa elektronien ballistista kulkeutumista yksikiteisissä kuparikalvoissa.

Tämä osoittaa, että ballistinen kulkeutuminen on mahdollista alan standardin mukaisessa metallissa kontaktiliitäntöjen kannalta merkityksellisissä mitoissa.

Ballistinen kulkeutuminen viittaa ilmiöön, jossa elektronit kulkevat suoria ratoja pitkin siroamatta. Tähän asti tätä käyttäytymistä on havaittu pääasiassa erityisissä kvanttimateriaaleissa, kuten grafeenissa tai puolijohteisissa nanorakenteissa. Kuparissa, jossa elektronien sironta on voimakasta, ballistisen kulkeutumisen toteuttamista on pidetty käytännössä mahdottomana.

Tässä tutkimuksessa tutkijat osoittivat kokeellisesti, että ballistista kulkeutumista voi tapahtua 80 nm:n paksuisissa ja 150 nm:n viivanleveyden omaavissa rakenteissa, jotka ovat verrattavissa todellisissa puolijohdeyhteyksissä käytettyihin mittoihin.

Tämä havainto viittaa siihen, että elektroninen käyttäytyminen voi muuttua paitsi laboratoriomittakaavan erikoisrakenteissa, myös puolijohdeteollisuudelle jo merkityksellisissä johdotusmittakaavoissa.

Tavallisissa kuparijohteissa elektronit siroavat toistuvasti, mikä johtaa diffuusiin kulkeutumiseen, ja resistanssi on aina positiivinen. Kuitenkin, kun ballistisessa kulkeutumisessa elektronien käyttäytyminen poikkeaa tavanomaisista odotuksista. Ryhmä vahvisti selvästi ballistisen kulkeutumisen olemassaolon mittauksissa, jotka tehtiin alle 85 K:n (−188 °C:n) lämpötiloissa.

Tämän tutkimuksen keskeinen merkitys on se, että ballistinen kuljetus toteutettiin realistisella 150 nm:n kontaktiliitäntöjen linjaleveydellä. Tämä tulos viittaa mahdolliseen tapaan lieventää tavanomaista yhteenliitäntöjen skaalausrajaa, jossa resistanssi kasvaa jyrkästi erittäin hienoissa kontakteissa.

Periaatteessa tämä voisi osaltaan vähentää signaalin viivettä, alentaa Joule-lämpenemistä ja toteuttaa pienen tehonkäytön nopeita piirejä, mikä tekee tuloksesta erittäin relevantin seuraavan sukupolven puolijohteiden kontaktiliitäntöjen teknologioille.

Kuparia on pitkään pidetty edustavana metallina, jossa ballistista kuljetusta on vaikea saavuttaa voimakkaan elektroni-fononi-kytkennän ja lyhyen keskimääräisen vapaan matkan vuoksi.

Siksi tätä työtä pidetään merkittävänä saavutuksena, koska se osoittaa ballistisen kuljetuksen toteutettavuuden erikoismateriaalin sijaan teollisuuden standardimetallissa käytännössä relevanteissa mitoissa.

Aiheesta aiemmin:

Printatut hyppykivet rikkovat 2D-kontaktien rajoitukset

Paremmat kontaktit 2D-transistoreille