Paso a paso, los científicos están descubriendo nuevas formas de extender la Ley de Moore. El último revela un camino hacia los circuitos integrados con transistores bidimensionales.

Un científico de la Universidad de Rice y sus colaboradores en Taiwán y China informaron en Naturaleza hoy que han logrado hacer crecer con éxito láminas de nitruro de boro hexagonal (hBN) de un átomo de espesor como cristales de dos pulgadas de diámetro a través de una oblea.

Asombrosamente, lograron el objetivo largamente buscado de hacer cristales de hBN perfectamente ordenados, un semiconductor de banda ancha ancha, aprovechando el desorden entre los escalones serpenteantes sobre un sustrato de cobre. Los pasos aleatorios mantienen el hBN en línea.

Colocado en chips como dieléctrico entre capas de transistores a nanoescala, El hBN a escala de oblea se destacaría en la amortiguación de la dispersión y atrapamiento de electrones que limitan la eficiencia de un circuito integrado. Pero hasta ahora nadie ha podido hacer cristales de hBN perfectamente ordenados que sean lo suficientemente grandes; en este caso, en una oblea — para ser útil.

El teórico de materiales de la Escuela de Ingeniería Brown, Boris Yakobson, es el científico codirector del estudio con Lain-Jong (Lance) Li de Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) y su equipo. Yakobson y Chih-Piao Chuu de TSMC realizaron análisis teóricos y cálculos de los primeros principios para desentrañar los mecanismos de lo que sus coautores vieron en los experimentos.

Como prueba de concepto para la fabricación, experimentales en TSMC y la Universidad Nacional Chiao Tung de Taiwán crecieron dos pulgadas, Película 2-D hBN, lo transfirió a silicio y luego colocó una capa de transistores de efecto de campo modelados en disulfuro de molibdeno 2-D encima del hBN.

"El principal descubrimiento de este trabajo es que se puede lograr un monocristal a través de una oblea, y luego pueden moverlo, ", Dijo Yakobson." Entonces pueden hacer dispositivos ".

"No existe ningún método que pueda producir dieléctricos monocapa de hBN con una reproducibilidad extremadamente alta en una oblea, que es necesario para la industria electrónica, "Li agregó." Este documento revela las razones científicas por las que podemos lograr esto ".

Yakobson espera que la técnica también se pueda aplicar ampliamente a otros materiales 2-D, con algo de prueba y error. "Creo que la física subyacente es bastante general, ", dijo." El nitruro de boro es un material importante para los dieléctricos, pero muchos materiales 2D deseables, como los 50 dicalcogenuros de metales de transición, tienen los mismos problemas con el crecimiento y la transferencia, y puede beneficiarse de lo que descubrimos ".

En 1965, Gordon Moore de Intel predijo que la cantidad de transistores en un circuito integrado se duplicaría cada dos años. Pero a medida que las arquitecturas de circuitos integrados se hacen más pequeñas, con líneas de circuito de hasta unos pocos nanómetros, el ritmo de progreso ha sido difícil de mantener.

La capacidad de apilar capas 2-D, cada uno con millones de transistores, pueden superar tales limitaciones si pueden aislarse unas de otras. El hBN aislante es un candidato principal para ese propósito debido a su amplio intervalo de banda.

A pesar de tener "hexagonal" en su nombre, las monocapas de hBN vistas desde arriba aparecen como una superposición de dos redes triangulares distintas de átomos de boro y nitrógeno. Para que el material cumpla con las especificaciones, Los cristales de hBN deben ser perfectos; es decir, los triángulos deben estar conectados y todos apuntar en la misma dirección. Los cristales no perfectos tienen límites de grano que degradan las propiedades electrónicas del material.

Para que hBN sea perfecto, sus átomos deben alinearse con precisión con los del sustrato de abajo. Los investigadores encontraron que el cobre en una disposición (111) —el número se refiere a cómo está orientada la superficie del cristal— hace el trabajo, pero solo después de que el cobre se templa a alta temperatura sobre un sustrato de zafiro y en presencia de hidrógeno.

El recocido elimina los límites de grano en el cobre, dejando un solo cristal. Una superficie tan perfecta sin embargo, ser "demasiado suave" para imponer la orientación hBN, Dijo Yakobson.

Yakobson informó sobre la investigación del año pasado para cultivar borofeno prístino en plata (111), y también una predicción teórica de que el cobre puede alinear hBN en virtud de los pasos complementarios en su superficie. La superficie de cobre era vecina, es decir, ligeramente mal cortado para exponer los pasos atómicos entre las amplias terrazas. Ese documento llamó la atención de los investigadores industriales en Taiwán, que se acercó al profesor después de una charla allí el año pasado.

"Ellos dijeron, 'Leemos tu periódico, '”, Recordó Yakobson.“ Vemos algo extraño en nuestros experimentos. ¿Podemos hablar?' Así es como empezó ".

Informado por su experiencia anterior, Yakobson sugirió que las fluctuaciones térmicas permiten que el cobre (111) retenga terrazas escalonadas en su superficie, incluso cuando se eliminan sus propios límites de grano. Los átomos en estos "pasos" serpenteantes presentan las energías interfaciales adecuadas para unir y restringir el hBN, que luego crece en una dirección mientras se adhiere al plano de cobre a través de la muy débil fuerza de van der Waals.

"Cada superficie tiene escalones, pero en el trabajo anterior, los escalones estaban en una superficie vecina de ingeniería dura, lo que significa que todos bajan, o todo arriba, ", dijo." Pero en el cobre (111), los escalones suben y bajan, por solo un átomo o dos al azar, que ofrece la termodinámica fundamental ".

Debido a la orientación del cobre, los planos atómicos horizontales están compensados ​​por una fracción de la celosía debajo. "Los bordes escalonados de la superficie tienen el mismo aspecto, pero no son exactamente gemelos espejo, "Yakobson explicó." Hay una superposición más grande con la capa de abajo en un lado que en el opuesto ".

Eso hace que las energías de enlace en cada lado de la meseta de cobre sean diferentes en un minuto 0.23 electronvoltios (por cada cuarto de nanómetro de contacto), que es suficiente para forzar a los núcleos de hBN de acoplamiento a crecer en la misma dirección, él dijo.

El equipo experimental encontró que el espesor de cobre óptimo era de 500 nanómetros, suficiente para evitar su evaporación durante el crecimiento de hBN a través de la deposición de vapor químico de amoniaco borano sobre un sustrato de cobre (111) / zafiro.