Un piccolo passo per gli atomi, un passo da gigante per la microelettronica

Il teorico dei materiali della Brown School of Engineering Boris Yakobson è co-lead scientist nello studio con Lain-Jong (Lance) Li della Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) e il suo team. Yakobson e Chih-Piao Chuu del TSMC hanno eseguito analisi teoriche e calcoli dei primi principi per svelare i meccanismi di ciò che i loro coautori hanno visto negli esperimenti.

Un piccolo passo per gli atomi, un passo da gigante per la microelettronica

Un piccolo passo per gli atomi, un passo da gigante per la microelettronica

Passo dopo passo, gli scienziati stanno scoprendo nuovi modi per estendere la Legge di Moore. L'ultimo rivela un percorso verso circuiti integrati con transistor bidimensionali.

Uno scienziato della Rice University e i suoi collaboratori a Taiwan e in Cina hanno riferito su Nature oggi di aver coltivato con successo fogli di nitruro di boro esagonale (hBN) spessi atomi di carbonio come cristalli di diametro di due pollici su un wafer.

Sorprendentemente, hanno raggiunto l'obiettivo a lungo cercato di realizzare cristalli perfettamente ordinati di hBN, un semiconduttore con gap a banda larga, sfruttando il disordine tra i passaggi tortuosi su un substrato di rame. I passaggi casuali mantengono l'hBN in linea.

Inserito in chip come dielettrico tra strati di transistor su nanoscala, l'hBN su scala di wafer eccellerebbe nello smorzamento della dispersione e del trapping di elettroni che limitano l'efficienza di un circuito integrato. Ma fino ad ora, nessuno è stato in grado di realizzare cristalli di hBN perfettamente ordinati che siano abbastanza grandi - in questo caso, su un wafer - per essere utili.

Il teorico dei materiali della Brown School of Engineering Boris Yakobson è co-lead scientist nello studio con Lain-Jong (Lance) Li della Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) e il suo team. Yakobson e Chih-Piao Chuu del TSMC hanno eseguito analisi teoriche e calcoli dei primi principi per svelare i meccanismi di ciò che i loro coautori hanno visto negli esperimenti.

Come prova del concetto per la produzione, gli sperimentatori del TSMC e della National Chiao Tung University di Taiwan hanno sviluppato un film hBN 2D da due pollici, trasferito in silicio e quindi collocato uno strato di transistor ad effetto di campo modellato sul disolfuro di molibdeno 2D in cima all'hBN.

"La principale scoperta di questo lavoro è che è possibile ottenere un monocristallo attraverso un wafer, e quindi possono spostarlo", ha detto Yakobson. "Quindi possono creare dispositivi."

"Non esiste un metodo esistente in grado di produrre dielettrici monostrato hBN con riproducibilità estremamente elevata su un wafer, necessario per l'industria elettronica", ha aggiunto Li. "Questo documento rivela le ragioni scientifiche per cui possiamo raggiungere questo obiettivo".

Yakobson spera che la tecnica possa applicarsi ampiamente anche ad altri materiali 2D, con qualche tentativo ed errore. "Penso che la fisica di base sia piuttosto generale", ha detto. "Il nitruro di boro è un materiale molto importante per i dielettrici, ma molti materiali 2D desiderabili, come i circa 50 dichalcogenides dei metalli di transizione, hanno gli stessi problemi con la crescita e il trasferimento e possono trarre vantaggio da ciò che abbiamo scoperto."

Nel 1975, Gordon Moore di Intel aveva previsto che il numero di transistor in un circuito integrato sarebbe raddoppiato ogni due anni. Ma man mano che le architetture dei circuiti integrati si riducono, con le linee dei circuiti fino a pochi nanometri, il ritmo dei progressi è stato difficile da mantenere.

La capacità di impilare strati 2D, ciascuno con milioni di transistor, può superare tali limiti se possono essere isolati l'uno dall'altro. L'isolante hBN è un candidato privilegiato a tale scopo a causa del suo ampio gap di banda.

Nonostante abbia "esagonale" nel suo nome, i monostrati di hBN visti dall'alto sembrano una sovrapposizione di due reticoli triangolari distinti di atomi di boro e azoto. Affinché il materiale sia conforme alle specifiche, i cristalli di hBN devono essere perfetti; cioè i triangoli devono essere collegati e puntare tutti nella stessa direzione. I cristalli non perfetti hanno bordi granulosi che degradano le proprietà elettroniche del materiale.

Perché hBN sia perfetto, i suoi atomi devono allinearsi con precisione con quelli sul substrato sottostante. I ricercatori hanno scoperto che il rame in una disposizione (111) - il numero si riferisce a come è orientata la superficie del cristallo - fa il lavoro, ma solo dopo che il rame è stato ricotto ad alta temperatura su un substrato di zaffiro e in presenza di idrogeno.

La ricottura elimina i confini del grano nel rame, lasciando un singolo cristallo. Una superficie così perfetta sarebbe, tuttavia, "troppo liscia" per applicare l'orientamento hBN, ha affermato Yakobson.

Yakobson ha riferito sulla ricerca dell'anno scorso di coltivare borofene incontaminato sull'argento (111), e anche una previsione teorica che il rame può allineare l'hBN in virtù dei passaggi complementari sulla sua superficie. La superficie del rame era vicinale, cioè leggermente inclinata per esporre i passaggi atomici tra le ampie terrazze. Quel documento ha attirato l'attenzione dei ricercatori industriali di Taiwan, che si sono avvicinati al professore dopo un discorso lì l'anno scorso.

"Dissero: 'Abbiamo letto il tuo giornale'", ricorda Yakobson. "'Vediamo qualcosa di strano nei nostri esperimenti. Possiamo parlare?' È così che è iniziato. "

Informato dalla sua precedente esperienza, Yakobson ha suggerito che le fluttuazioni termiche consentono al rame (111) di trattenere terrazze a gradini sulla sua superficie, anche quando i suoi confini di grano vengono eliminati. Gli atomi in questi "passi" tortuosi presentano le giuste energie interfaciali per legare e limitare l'hBN, che poi cresce in una direzione mentre si attacca al piano di rame attraverso la forza molto debole di van der Waals.

"Ogni superficie ha dei gradini, ma nel lavoro precedente, i gradini erano su una superficie vicinale ingegnerizzata, il che significa che tutti vanno giù o tutti su", ha detto. "Ma sul rame (111), i passaggi sono su e giù, solo per un atomo o due a caso, offerti dalla fondamentale termodinamica."

A causa dell'orientamento del rame, i piani atomici orizzontali sono sfalsati di una frazione rispetto al reticolo sottostante. "I bordi dei gradini della superficie sembrano uguali, ma non sono esatti gemelli a specchio", ha spiegato Yakobson. "C'è una più grande sovrapposizione con il livello sottostante su un lato rispetto al contrario."

Ciò rende le energie di legame su ciascun lato del plateau di rame diverse di un minuto 0,23 volt di elettroni (per ogni quarto di nanometro di contatto), il che è sufficiente per forzare i nuclei di hBN docking a crescere nella stessa direzione, ha detto.

Il team sperimentale ha scoperto che lo spessore ottimale del rame era di 500 nanometri, abbastanza per impedire la sua evaporazione durante la crescita di hBN attraverso la deposizione chimica da vapore di ammoniaca borano su un substrato di rame (111) / zaffiro.