Electrothermal behavior of superconducting nanowires buried in a commercial CMOS process

In de wereld van moderne elektronica worden de krachtigste computers gebouwd op siliciumchips die op kamertemperatuur werken, maar de meest gevoelige detectoren voor licht en de meest geavanceerde kwantumcomputers vereisen vaak temperaturen nabij het absolute nulpunt. Jarenlang hebben wetenschappers gedroomd van het combineren van deze twee werelden: het direct plaatsen van delicate supergeleidende sensoren op dezelfde siliciumchip die hen aanstuurt, waardoor de noodzaak voor volumineuze, complexe bedrading tussen een koude detector en een warme computer wordt geëlimineerd. De uitdaging was het vinden van een materiaal dat als supergeleider kan fungeren onder deze extreme koude omstandigheden, terwijl het ook compatibel is met de standaard fabricageprocessen die worden gebruikt om alledaagse computerchips te maken. Het blijkt dat de materialen die worden gebruikt om moderne chips te bouwen — specifدiek dunne lagen titaniumnitride die worden gebruikt als barrières en verbindingen — supergeleidend kunnen worden wanneer ze worden afgekoeld, wat een verborgen pad naar deze integratie biedt. Het is echter niet genoeg om alleen te weten dat een materiaal supergeleidend kan zijn; ingenieurs moeten precies begrijpen hoe warmte zich door deze minuscule, begraven draden beweegt wanneer ze gedwongen worden een elektrische stroom te geleiden, omdat warmte de vijand is van supergeleiding.

Een team van onderzoekers heeft nu nauwkeurig in kaart gebracht hoe warmte zich in deze verborgen draden gedraagt, waarbij een verrassende zwakte in het koelsysteem werd onthuld die daadwerkelijk nuttig kan zijn voor het bouwen van nieuwe soorten computergeheugen en logica. De wetenschappers bestudeerden minuscule draden gemaakt van titaniumnitride, die diep in een standaard commerciële computerchip zijn begraven, tussen lagen metaal en isolerend glas. Wanneer elektriciteit door deze draden stroomt, kunnen ze plotseling overschakelen van een staat van nul weerstand naar een staat waarin ze de stroom weerstaan, wat een 'hot spot' (warmtepunt) creëert. De onderzoekers wilden weten hoeveel stroom er nodig is om dit hot spot in stand te houden zodra het gevormd is, een waarde die bekend staat als de retrapping-stroom. Als de draad te efficiënt afkoelt, stort het hot spot in en keert de draad terug naar een supergeleidende staat; als het te langzaam afkoelt, groeit het hot spot ongecontroleerd. Door dit gedrag te meten bij verschillende draadlengtes en temperaturen, ontdekte het team dat de warmte niet ontsnapt zoals de meeste ingenieurs verwachtten.

De onderzoekers ontdekten dat voor lange draden de warmte voornamelijk ontsnapt door verticaal uit de draad te reizen en in de omliggende lagen van de chip te trekken, in plaats van langs de draad naar de metalen contacten aan de uiteinden te stromen. Deze verticale koeling is verrassend inefficiënt. Het team mat een koelingscoëfficiënt die ongeveer dertig keer lager is dan wat men zou verwachten voor een zuiver, enkelvoudig grensvlak tussen twee materialen, en ongeveer twaalf keer lager dan de beste koelingssnelheden die in vergelijkbare nanowires in andere studies zijn waargenomen. Deze inefficiëntie betekent dat de draden de warmte veel langer vasthouden dan verwacht. Omdat de warmte zo effectief wordt vastgehouden, kunnen de draden een stabiel hot spot behouden met een relatief kleine hoeveelheid stroom. Deze stabiliteit is cruciaal voor apparaten die vertrouwen op hysteresis, waarbij de staat van het apparaat afhangt van zijn geschiedenis, zoals in supergeleidend geheugen of logische poorten.

De studie onderzocht ook hoe de lengte van de draad dit gedrag beïnvloedt. In zeer korte draden kan de warmte de uiteinden bereiken en ontsnappen via de contacten, maar naarmate de draden langer worden, wordt de verticale koeling in de omliggende stapel de dominante factor. De onderzoekers identificeerden een specifiek overgangspunt, rond de 3,5 micrometer in lengte, waar het gedrag verschuift van controle door de contacten naar controle door de omliggende lagen. Deze overgangslengte is veel groter dan wat voorspeld zou worden als de koeling efficiënt zou zijn, wat bevestigt dat de begraven omgeving fungeert als een thermische flessenhals. Het team sprak de mogelijkheid uit dat de warmte voornamelijk langs de draad naar de contacten reist voor deze lengtes, en toonde aan dat de verticale route de belangrijkste route voor warmteverlies is, zij het een trage route.

Deze bevindingen geven een duidelijk beeld van het elektrothermische landschap voor supergeleidende apparaten die in standaard computerchips zijn ingebouwd. De onderzoekers stelden vast dat de titaniumnitride-films, die incidentele bijproducten zijn van het chipfabricageproces, robuust genoeg zijn om de hot spots te ondersteunen die nodig zijn voor geavanceerde supergeleidende circuits. De ongewoon lage koelingssnelheid betekent dat deze begraven draden een resistente staat kunnen handhaven met minder energie dan eerder gedacht, wat ze levensvatbare kandidaten maakt voor integratie met cryogene elektronica. Het werk bevestigt dat de geometrie van de chipstapel, met zijn lagen metaal en glas, een unieke thermische omgeving creëert die gemodelleerd en voorspeld kan worden. Dit begrip stelt ingenieurs in staat om supergeleidende detectoren en logische circuits te ontwerpen die monolithisch geïntegreerd zijn met hun controle-elektronica, wat de weg vrijmaakt voor compactere en krachtigere kwantumcomputersystemen zonder de noodzaak voor complexe externe koelinfrastructuur.