Steg för steg, forskare funderar på nya sätt att utvidga Moores lag. Den senaste avslöjar en väg mot integrerade kretsar med tvådimensionella transistorer.

En forskare från Rice University och hans medarbetare i Taiwan och Kina rapporterade in Natur idag att de framgångsrikt har odlat atomtjocka ark av hexagonal bornitrid (hBN) som två tums diameter kristaller över en wafer.

Förvånande, de uppnådde det länge eftersträvade målet att göra perfekt ordnade kristaller av hBN, en halvledare med brett bandgap, genom att dra fördel av oordning bland de slingrande stegen på ett kopparsubstrat. De slumpmässiga stegen håller hBN i linje.

Sätts in i chips som ett dielektrikum mellan lager av nanoskala transistorer, hBN i wafer-skala skulle utmärka sig i att dämpa elektronspridning och fångst som begränsar effektiviteten hos en integrerad krets. Men tills nu, ingen har kunnat göra perfekt ordnade hBN-kristaller som är tillräckligt stora – i det här fallet, på en oblat — för att vara användbar.

Brown School of Engineerings materialteoretiker Boris Yakobson är en ledande forskare i studien tillsammans med Lain-Jong (Lance) Li från Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) och hans team. Yakobson och Chih-Piao Chuu från TSMC utförde teoretisk analys och första principberäkningar för att reda ut mekanismerna för vad deras medförfattare såg i experiment.

Som ett bevis på koncept för tillverkning, experimentalister vid TSMC och Taiwans nationella Chiao Tung University växte en tvåtums, 2-D hBN-film, överförde den till kisel och placerade sedan ett lager av fälteffekttransistorer mönstrade på 2-D molybdendisulfid ovanpå hBN.

"Den huvudsakliga upptäckten i detta arbete är att en monokristall över en wafer kan uppnås, och sedan kan de flytta den, " sa Yakobson. "Då kan de göra enheter."

"Det finns ingen befintlig metod som kan producera hBN monolager dielektrikum med extremt hög reproducerbarhet på en wafer, som är nödvändigt för elektronikindustrin, ", tillade Li. "Denna artikel avslöjar de vetenskapliga skälen till varför vi kan uppnå detta."

Yakobson hoppas att tekniken även kan tillämpas brett på andra 2D-material, med lite försök och misstag. "Jag tror att den underliggande fysiken är ganska allmän, " sa han. "Bornitrid är ett stort material för dielektrikum, men många önskvärda 2D-material, som de 50 eller så övergångsmetalldikalkogenider, har samma problem med tillväxt och överföring, och kan dra nytta av det vi upptäckt."

1965, Intels Gordon Moore förutspådde att antalet transistorer i en integrerad krets skulle fördubblas vartannat år. Men när integrerade kretsarkitekturer blir mindre, med kretslinjer ner till några nanometer, takten i framstegen har varit svår att upprätthålla.

Möjligheten att stapla 2D-lager, var och en med miljontals transistorer, kan övervinna sådana begränsningar om de kan isoleras från varandra. Isolerande hBN är en utmärkt kandidat för detta ändamål på grund av dess breda bandgap.

Trots att det har "hexagonal" i sitt namn, monolager av hBN sett från ovan framträder som en överlagring av två distinkta triangulära gitter av bor- och kväveatomer. För att materialet ska prestera upp till specifikationen, hBN-kristaller måste vara perfekta; det är, trianglarna måste vara sammankopplade och alla pekar åt samma håll. Icke-perfekta kristaller har korngränser som försämrar materialets elektroniska egenskaper.

För att hBN ska bli perfekt, dess atomer måste vara exakt i linje med dem på substratet nedan. Forskarna fann att koppar i ett (111) arrangemang - siffran hänvisar till hur kristallytan är orienterad - gör jobbet, men först efter att kopparn glödgats vid hög temperatur på ett safirsubstrat och i närvaro av väte.

Glödgning eliminerar korngränser i koppar, lämnar en enda kristall. En sådan perfekt yta skulle dock, vara "alldeles för smidig" för att upprätthålla hBN-orienteringen, sa Yakobson.

Yakobson rapporterade om forskning förra året för att odla orörd borofen på silver (111), och även en teoretisk förutsägelse att koppar kan anpassa hBN i kraft av de komplementära stegen på dess yta. Kopparytan var vicinal – dvs. något felskuren för att exponera atomstegen mellan de vidsträckta terrasserna. Den tidningen fångade industriforskare i Taiwan, som närmade sig professorn efter ett föredrag där förra året.

"De sa, 'Vi läser din tidning, "" Yakobson mindes. "'Vi ser något konstigt i våra experiment. Kan vi prata?' Det var så det började."

Informerad av sin tidigare erfarenhet, Yakobson föreslog att termiska fluktuationer tillåter koppar (111) att hålla kvar stegliknande terrasser över dess yta, även när dess egna korngränser elimineras. Atomerna i dessa slingrande "steg" presenterar precis rätt gränssnittsenergier för att binda och begränsa hBN, som sedan växer åt ena hållet samtidigt som den fäster på kopparplanet via den mycket svaga van der Waals-kraften.

"Varje yta har steg, men i det tidigare arbetet, stegen var på en hårdkonstruerad yta, vilket betyder att de alla går ner, eller allt upp, " sa han. "Men på koppar (111), stegen är upp och ner, med bara en atom eller två slumpmässigt, som erbjuds av den grundläggande termodynamiken."

På grund av kopparns orientering, de horisontella atomplanen är förskjutna med en bråkdel till gittret under. "Ytstegskanterna ser likadana ut, men de är inte exakta spegeltvillingar, " Yakobson förklarade. "Det finns en större överlappning med lagret under på ena sidan än på den motsatta."

Det gör att bindningsenergierna på varje sida av kopparplatån skiljer sig med en minut med 0,23 elektronvolt (per varje kvartsnanometer kontakt), vilket är tillräckligt för att tvinga dockande hBN-kärnor att växa i samma riktning, han sa.

Experimentteamet fann att den optimala koppartjockleken var 500 nanometer, tillräckligt för att förhindra dess avdunstning under hBN-tillväxt via kemisk ångavsättning av ammoniakboran på ett koppar (111)/safirsubstrat.