近日，上海交通大学溥渊未来技术学院鲍华教授课题组在Applied Physics Letters上发表了题为“Size-dependent thermal transport properties of advanced metallic nanowire interconnects”的研究论文。
金属纳米线是电子器件中传递信号和能量的重要结构，对晶体管内的信号传递和近结散热至关重要。随着计算性能的需求增加，晶体管尺寸不断下降，传统的铜纳米线的导电导热性能已很难满足芯片内信号传输和芯片散热的需求。研究表明部分新型的金属纳米线在特征尺寸为数个纳米情况下其导电性能可优于铜。然而，这些芯片内互连金属纳米线的导热性质的尺寸依赖性特征及对其导热机制的理解仍十分有限。
本研究对九种有前景的芯片内互连金属纳米线（CoSn, YCo3B2, OsRu, NiAl, W, Ru, Rh, Ir, Mo）导热性质的尺寸效应及导热机制进行了深入的研究。文中使用了基于模态分析的第一性原理方法结合玻尔兹曼输运方程开展了研究，并考虑了表面和晶界的散射作用。结果表明，虽然这些芯片内互连金属材料的体块热导率均低于铜，但是部分金属在纳米线特征尺寸小于10nm的条件下热导率可以超过铜。分析表明这几种金属中较小的电子平均自由程是这一现象的关键因素。此外，通过分析界面和晶界散射机制发现，部分各向异性的金属如能在生长中控制晶向，将有巨大的未来潜力。对不同热载流子导热贡献的分析中发现，特征尺寸3-30nm区间，这些互连金属纳米线中的声子导热对总热导率贡献小于25%，并导致了洛伦兹数略大于标准值。本研究对芯片内互连金属纳米线的导热性质进行了全面系统的研究，对热载流子的散射机制进行了深入的分析，为寻找新型互连金属材料，以及设计下一代集成电路提供了重要的指导。
图1 300 K下多晶金属纳米线（R=0.5）中热导率随特征尺寸的变化。插图为纳米线中热载流子与晶界和边界散射示意图
图2 Cu, Ir, CoSn 单晶与多晶金属纳米线的电子热导率随特征尺寸的变化
表1 金属的电子热导率和平均自由程
图3 300 K下多晶金属纳米线中声子热导率对总热导率的贡献随特征尺寸的变化
图4 300 K下多晶金属纳米线的洛伦兹数L
团队介绍
鲍华，上海交通大学教授，国家自然科学基金优秀青年基金获得者。主要从事微观尺度下热量的输运和转换的新兴交叉学科研究，包括微纳尺度导热、芯片的自发热和微观传热机理等。获上海市自然科学一等奖（排名第2）。担任中国材料与测试标准团体委员会（CSTM）材料基因工程领域委员。在Nature Communications, Nano Energy, Applied Physics Letters, Physical Review B等高水平学术期刊发表SCI论文100余篇。在IMECE、IEEE-NEMS等国内外学术会议上做主旨、邀请报告二十余次。主持3项国家自然科学基金项目，上海市自然科学基金项目，以及华为技术有限公司、浙江能源集团等企业项目；参与国家自然科学基金重点项目、科技部重点研发计划，以及航天八院、中航商发等企业项目的研究。
文章信息
Size-dependent thermal transport properties of advanced metallic nanowire interconnects
Ao Wang; Hua Bao
Appl. Phys. Lett. 124, 212202 (2024)
https://doi.org/10.1063/5.0206103
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期刊介绍
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