Et lille skridt for atomer, et kæmpe spring for mikroelektronik

Trin for trin, forskere finder på nye måder at forlænge Moores lov. Den seneste afslører en vej mod integrerede kredsløb med todimensionale transistorer.

En forsker fra Rice University og hans samarbejdspartnere i Taiwan og Kina rapporterede i Natur i dag, at de med succes har dyrket atom-tykke plader af sekskantet bornitrid (hBN) som krystaller med en diameter på to tommer på tværs af en skive.

Overraskende, de nåede det længe søgte mål om at lave perfekt bestilte krystaller af hBN, en halvleder med et bredt båndgab, ved at udnytte uorden blandt de slyngede trin på et kobbersubstrat. De tilfældige trin holder hBN på linje.

Sættes i chips som et dielektrikum mellem lag af nanoskala transistorer, wafer-skala hBN ville udmærke sig ved dæmpning af elektronspredning og indfangning, der begrænser effektiviteten af ​​et integreret kredsløb. Men indtil nu, ingen har været i stand til at lave perfekt bestilte hBN -krystaller, der er store nok - i dette tilfælde, på en skive - for at være nyttig.

Brown School of Engineering materialteoretiker Boris Yakobson er co-leadforsker på undersøgelsen med Lain-Jong (Lance) Li fra Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) og hans team. Yakobson og Chih-Piao Chuu fra TSMC udførte teoretisk analyse og første princippeberegninger for at opklare mekanismerne for, hvad deres medforfattere så i eksperimenter.

Som et bevis på konceptet til fremstilling, eksperimentister på TSMC og Taiwans National Chiao Tung University voksede en to tommer, 2-D hBN film, overførte det til silicium og lagde derefter et lag af felt-effekt-transistorer mønstret på 2-D molybdendisulfid oven på hBN.

"Hovedopdagelsen i dette arbejde er, at der kan opnås en monokrystal på tværs af en skive, og så kan de flytte det, "Sagde Yakobson." Så kan de lave enheder. "

"Der er ingen eksisterende metode, der kan producere hBN -enkeltlags dielektrik med ekstremt høj reproducerbarhed på en wafer, som er nødvendig for elektronikindustrien, "Tilføjede Li." Dette papir afslører de videnskabelige grunde til, at vi kan opnå dette. "

Yakobson håber, at teknikken også kan gælde bredt for andre 2-D materialer, med nogle forsøg og fejl. "Jeg synes, at den underliggende fysik er temmelig generel, "sagde han." Bornitrid er et stort materiale til dielektri, men mange ønskelige 2-D materialer, ligesom de omkring 50 overgangsmetal -dichalcogenider, har de samme problemer med vækst og overførsel, og kan drage fordel af det, vi opdagede. "

I 1965, Intels Gordon Moore forudsagde, at antallet af transistorer i et integreret kredsløb ville blive fordoblet hvert andet år. Men efterhånden som integrerede kredsløbs arkitekturer bliver mindre, med kredsløb ned til et par nanometer, fremskridtstakten har været svær at opretholde.

Evnen til at stable 2-D lag, hver med millioner af transistorer, kan overvinde sådanne begrænsninger, hvis de kan isoleres fra hinanden. Isolerende hBN er en førende kandidat til dette formål på grund af dets brede båndgab.

Trods at have "sekskantet" i sit navn, monolag af hBN set ovenfra ser ud som en superposition af to forskellige trekantede gitter af bor- og nitrogenatomer. For at materialet kan yde op til specifikationer, hBN -krystaller skal være perfekte; det er, trekanterne skal forbindes og alle peger i samme retning. Ikke-perfekte krystaller har korngrænser, der forringer materialets elektroniske egenskaber.

For at hBN skal blive perfekt, dens atomer skal præcist flugte med dem på underlaget nedenfor. Forskerne fandt ud af, at kobber i et (111) arrangement - tallet refererer til, hvordan krystaloverfladen er orienteret - udfører jobbet, men først efter at kobberet er glødet ved høj temperatur på et safirsubstrat og i nærvær af hydrogen.

Glødning eliminerer korngrænser i kobberet, efterlader en enkelt krystal. Sådan en perfekt overflade ville, imidlertid, være "alt for glat" til at håndhæve hBN -orienteringen, Sagde Yakobson.

Yakobson rapporterede om forskning sidste år for at dyrke uberørt borofen på sølv (111), og også en teoretisk forudsigelse om, at kobber kan justere hBN i kraft af de komplementære trin på dens overflade. Kobberoverfladen var vicinal - det vil sige lidt forkert at afsløre atomtrin mellem de ekspansive terrasser. Dette papir fangede industriforskere i Taiwan opmærksomhed, der henvendte sig til professoren efter en tale der sidste år.

"De sagde, 'Vi læste dit papir, '"Mindes Yakobson."' Vi ser noget mærkeligt i vores eksperimenter. Kan vi snakke?' Sådan startede det. "

Informeret af hans tidligere erfaring, Yakobson foreslog, at termiske udsving tillod kobber (111) at fastholde trinlignende terrasser på tværs af dens overflade, selv når dens egne korngrænser elimineres. Atomer i disse slyngede "trin" præsenterer de helt rigtige grænsefladeenergier til at binde og begrænse hBN, som derefter vokser i en retning, mens det fastgøres til kobberplanet via den meget svage van der Waals -kraft.

"Hver overflade har trin, men i det tidligere arbejde, trinene var på en hårdt konstrueret vicinal overflade, hvilket betyder, at de alle falder ned, eller alt sammen "sagde han." Men på kobber (111), trinene er op og ned, med et atom eller to tilfældigt, tilbydes af den grundlæggende termodynamik. "

På grund af kobberets orientering, de vandrette atomplaner opvejes af en brøkdel til gitteret nedenunder. "Overfladens trinkanter ser det samme ud, men de er ikke nøjagtige spejl-tvillinger, "Forklarede Yakobson." Der er et større overlap med laget nedenfor på den ene side end på den modsatte. "

Det gør bindingsenergierne på hver side af kobberplateauet forskellige med et minut 0,23 elektronvolt (pr. Kvart nanometer kontakt), hvilket er nok til at tvinge docking -hBN -kerner til at vokse i samme retning, han sagde.

Det eksperimentelle team fandt, at den optimale kobbertykkelse var 500 nanometer, nok til at forhindre dets fordampning under hBN -vækst via kemisk dampaflejring af ammoniakboran på et kobber (111)/safirsubstrat.