Stap voor stap, wetenschappers bedenken nieuwe manieren om de wet van Moore uit te breiden. De nieuwste onthult een pad naar geïntegreerde schakelingen met tweedimensionale transistors.

Een wetenschapper van de Rice University en zijn medewerkers in Taiwan en China rapporteerden in: Natuur vandaag dat ze met succes atoomdikke vellen hexagonaal boornitride (hBN) hebben laten groeien als kristallen met een diameter van 2 inch over een wafel.

Verrassend genoeg, ze bereikten het lang gezochte doel om perfect geordende hBN-kristallen te maken, een halfgeleider met brede bandafstand, door gebruik te maken van wanorde tussen de meanderende stappen op een koperen ondergrond. De willekeurige stappen houden de hBN op één lijn.

In chips geplaatst als een diëlektricum tussen lagen nanoschaaltransistors, hBN op waferschaal zou uitblinken in het dempen van elektronenverstrooiing en trapping die de efficiëntie van een geïntegreerde schakeling beperken. Maar tot nu toe, niemand heeft perfect geordende hBN-kristallen kunnen maken die groot genoeg zijn - in dit geval op een wafel - om nuttig te zijn.

Brown School of Engineering materiaaltheoreticus Boris Yakobson is co-lead scientist bij het onderzoek met Lain-Jong (Lance) Li van de Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) en zijn team. Yakobson en Chih-Piao Chuu van TSMC voerden theoretische analyse en eerste-principeberekeningen uit om de mechanismen te ontrafelen van wat hun co-auteurs in experimenten zagen.

Als proof of concept voor productie, experimentatoren van TSMC en Taiwan's National Chiao Tung University groeiden een twee-inch, 2-D hBN-film, bracht het over naar silicium en plaatste vervolgens een laag veldeffecttransistoren met een patroon op 2-D molybdeendisulfide bovenop het hBN.

"De belangrijkste ontdekking in dit werk is dat een eenkristal over een wafel kan worden bereikt, en dan kunnen ze het verplaatsen, "Zei Yakobson. "Dan kunnen ze apparaten maken."

"Er is geen bestaande methode die hBN monolaag diëlektrica kan produceren met een extreem hoge reproduceerbaarheid op een wafer, die nodig is voor de elektronica-industrie, " Li toegevoegd. "Dit artikel onthult de wetenschappelijke redenen waarom we dit kunnen bereiken."

Yakobson hoopt dat de techniek ook breed kan worden toegepast op andere 2D-materialen, met wat vallen en opstaan. "Ik denk dat de onderliggende fysica vrij algemeen is, " zei hij. "Boornitride is een belangrijk materiaal voor diëlektrica, maar veel wenselijke 2D-materialen, zoals de ongeveer 50 overgangsmetaal dichalcogeniden, dezelfde problemen hebben met groei en overdracht, en kunnen profiteren van wat we hebben ontdekt."

In 1965, Intel's Gordon Moore voorspelde dat het aantal transistors in een geïntegreerde schakeling elke twee jaar zou verdubbelen. Maar naarmate de architecturen van geïntegreerde schakelingen kleiner worden, met circuitlijnen tot enkele nanometers, het tempo van de vooruitgang was moeilijk vol te houden.

De mogelijkheid om 2D-lagen te stapelen, elk met miljoenen transistors, kunnen dergelijke beperkingen overwinnen als ze van elkaar kunnen worden geïsoleerd. Het isoleren van hBN is daarvoor een uitstekende kandidaat vanwege de brede bandgap.

Ondanks dat het "hexagonaal" in zijn naam heeft, monolagen van hBN, zoals van bovenaf gezien, verschijnen als een superpositie van twee verschillende driehoekige roosters van boor- en stikstofatomen. Om het materiaal volgens de specificaties te laten presteren, hBN-kristallen moeten perfect zijn; dat is, de driehoeken moeten met elkaar verbonden zijn en allemaal in dezelfde richting wijzen. Niet-perfecte kristallen hebben korrelgrenzen die de elektronische eigenschappen van het materiaal verslechteren.

Om hBN perfect te laten worden, de atomen moeten precies worden uitgelijnd met die op het onderliggende substraat. De onderzoekers ontdekten dat koper in een (111) opstelling - het nummer verwijst naar hoe het kristaloppervlak is georiënteerd - het werk doet, maar pas nadat het koper bij hoge temperatuur is uitgegloeid op een saffiersubstraat en in aanwezigheid van waterstof.

Gloeien elimineert korrelgrenzen in het koper, een enkel kristal achterlatend. Zo'n perfect oppervlak zou, echter, "veel te soepel" zijn om de hBN-oriëntatie af te dwingen, zei Yakobson.

Yakobson rapporteerde vorig jaar over onderzoek om ongerept borofeen op zilver te kweken (111), en ook een theoretische voorspelling dat koper hBN kan uitlijnen dankzij de complementaire stappen op het oppervlak. Het koperen oppervlak was vicinaal - dat wil zeggen, enigszins verkeerd gesneden om atomaire stappen tussen de uitgestrekte terrassen bloot te leggen. Dat artikel trok de aandacht van industriële onderzoekers in Taiwan, die vorig jaar de professor benaderde na een gesprek daar.

"Ze zeiden, 'We lezen uw krant, '" herinnert Yakobson zich. "'We zien iets vreemds in onze experimenten. Kunnen we praten?' Zo is het begonnen."

Geïnformeerd door zijn eerdere ervaring, Yakobson suggereerde dat thermische fluctuaties koper (111) in staat stellen om trapvormige terrassen over het oppervlak te behouden, zelfs wanneer zijn eigen korrelgrenzen worden geëlimineerd. De atomen in deze meanderende "stappen" presenteren precies de juiste grensvlak-energieën om hBN te binden en te beperken, die vervolgens in één richting groeit terwijl het zich via de zeer zwakke van der Waals-kracht hecht aan het koperen vlak.

"Elk oppervlak heeft stappen, maar in het eerdere werk, de treden waren op een hard geconstrueerd vicinaal oppervlak, wat betekent dat ze allemaal naar beneden gaan, of helemaal op, ' zei hij. 'Maar op koper (111) de trappen zijn op en neer, door slechts een atoom of twee willekeurig, aangeboden door de fundamentele thermodynamica."

Vanwege de oriëntatie van het koper, de horizontale atomaire vlakken zijn met een fractie verschoven naar het onderliggende rooster. "De trapranden aan het oppervlak zien er hetzelfde uit, maar het zijn geen exacte spiegel-tweelingen, " legde Yakobson uit. "Er is een grotere overlap met de laag eronder aan de ene kant dan aan de andere kant."

Dat maakt de bindingsenergieën aan elke kant van het koperplateau een minuut verschillend van 0,23 elektronvolt (per elke kwart nanometer contact), wat voldoende is om hBN-kernen te dwingen in dezelfde richting te groeien, hij zei.

Het experimentele team ontdekte dat de optimale koperdikte 500 nanometer was, genoeg om de verdamping ervan tijdens hBN-groei te voorkomen via chemische dampafzetting van ammoniakboraan op een koper (111)/saffiersubstraat.