Чем тоньше, тем лучше: физики нашли материал, который превосходит медь в микросхемах

Медь — металл, без которого сложно представить современную электронику. Её используют в дата-центрах, электромобилях и энергетической инфраструктуре. Внутри каждого процессора медные токопроводящие дорожки соединяют транзисторы между собой — и их суммарная длина в одном современном чипе может превышать 100 километров.

Но медь начинает подводить. Чем тоньше становятся эти дорожки, тем хуже они проводят ток: электроны всё больше рассеиваются на стенках проводника, сопротивление растёт, возникают задержки сигнала. Этот эффект, известный как размерная зависимость сопротивления, становится всё более острой проблемой по мере того, как производители чипов продолжают миниатюризацию.

Группа физиков нашла неожиданный выход — материал, который ведёт себя ровно наоборот: чем он тоньше, тем лучше проводит. Результаты опубликованы в журнале Nature Materials.

Эффект, который противоречит обычной логике

Речь идёт о силициде кобальта (CoSi) — полуметалле, обладающем необычными квантовыми свойствами. В отличие от традиционных металлов, у которых электрическое сопротивление при уменьшении толщины растёт, у CoSi оно падает. Причина — квантовая механика: по поверхности очень тонких слоёв CoSi формируются высокопроводящие пути, по которым электроны движутся практически без рассеяния.

Исследователи синтезировали монокристаллические «нанохлопья» CoSi разной толщины и измерили их электрические характеристики. Результат превзошёл ожидания:

• при уменьшении толщины с 1 микрометра до 20 нанометров сопротивление CoSi снижалось на порядок величины;
• 20-нанометровый слой CoSi оказался в 10 раз менее резистивным, чем медная дорожка той же толщины при комнатной температуре;
• материал выдерживает плотность тока до 100 миллионов ампер на квадратный сантиметр.

Два теста, которые доказали практическую применимость

Мало обнаружить необычные свойства — нужно показать, что материал работает в реальных условиях. Учёные провели два эксперимента.

В первом они измерили, насколько хорошо дорожка из CoSi передаёт сигнал без потерь. Тест показал: потери незначительны вплоть до частоты 40 ГГц — диапазона, который используется, в частности, в системах связи с космическими аппаратами.

Во втором эксперименте исследователи встроили нанохлопью CoSi прямо в кремниевый кольцевой осциллятор — стандартный элемент электронных схем. Устройство работало на той же частоте, что и с обычной медной дорожкой, а суммарное сопротивление соединения практически не изменилось.

Помимо этого, CoSi демонстрирует высокую стабильность: он выдерживает нагрев до 450°C в течение 200 часов — важное требование для промышленного применения.

Что это значит для будущего электроники

Медные дорожки занимают значительную долю в объёме и стоимости интегральных схем. Пока транзисторы становятся быстрее, узким местом остаётся именно медь, через которую слишком медленно течёт ток. CoSi потенциально позволяет убрать это ограничение.

Материал также совместим с существующей технологией производства кремниевых чипов (CMOS), что упрощает его возможное внедрение в промышленный процесс.

Читайте также по теме: материалах для радиочипов 5G и 6G.

Исследователи заключают: CoSi по совокупности характеристик — проводимость, надёжность, совместимость с масштабированием — превосходит медь в качестве материала для тончайших токопроводящих дорожек следующего поколения. До коммерческого применения ещё далеко, но именно такие открытия закладывают фундамент для будущего скачка в производительности чипов.