Passo dopo passo, gli scienziati stanno escogitando 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 in Natura oggi che hanno coltivato con successo fogli spessi come un atomo di nitruro di boro esagonale (hBN) come cristalli di due pollici di diametro su un wafer.

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

Incastonato nei chip come dielettrico tra strati di transistor su nanoscala, hBN su scala wafer eccellerebbe nello smorzamento della dispersione e dell'intrappolamento degli elettroni che limitano l'efficienza di un circuito integrato. Ma fino ad ora, nessuno è stato in grado di creare cristalli di hBN perfettamente ordinati e abbastanza grandi, in questo caso, su un'ostia, per essere utile.

Il teorico dei materiali della Brown School of Engineering Boris Yakobson è co-scienziato capo dello studio con Lain-Jong (Lance) Li della Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) e il suo team. Yakobson e Chih-Piao Chuu di 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 di concetto per la produzione, sperimentali al TSMC e alla National Chiao Tung University di Taiwan sono cresciuti di due pollici, pellicola 2-D hBN, lo ha trasferito su silicio e quindi ha posizionato uno strato di transistor ad effetto di campo modellato su bisolfuro di molibdeno 2-D sopra l'hBN.

"La scoperta principale in questo lavoro è che è possibile ottenere un monocristallo attraverso un wafer, e poi possono spostarlo, " Yakobson ha detto. "Allora possono fare dispositivi."

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

Yakobson spera che la tecnica possa applicarsi ampiamente anche ad altri materiali 2-D, con alcuni tentativi ed errori. "Penso che la fisica sottostante sia piuttosto generale, " ha detto. "Il nitruro di boro è un materiale importante per i dielettrici, ma molti materiali 2-D desiderabili, come i circa 50 dicalcogenuri di metalli di transizione, hanno gli stessi problemi con la crescita e il trasferimento, e possiamo trarre beneficio da ciò che abbiamo scoperto."

Nel 1965, Gordon Moore di Intel ha previsto che il numero di transistor in un circuito integrato raddoppierà ogni due anni. Ma man mano che le architetture dei circuiti integrati diventano più piccole, con linee circuitali fino a pochi nanometri, il ritmo del progresso è stato difficile da mantenere.

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

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

Perché hBN diventi 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 bordi dei grani nel rame, lasciando un solo cristallo. Una superficie così perfetta sarebbe, però, essere "troppo fluido" per imporre l'orientamento hBN, ha detto Yakobson.

Yakobson ha riferito sulla ricerca dell'anno scorso per coltivare borofene incontaminato su argento (111), e anche una previsione teorica che il rame possa allineare hBN in virtù dei passaggi complementari sulla sua superficie. La superficie di rame era vicinale, cioè leggermente errata per esporre i passaggi atomici tra le ampie terrazze. Quel documento attirò l'attenzione dei ricercatori industriali di Taiwan, che si è avvicinato al professore dopo un colloquio l'anno scorso.

"Loro hanno detto, 'Abbiamo letto il tuo giornale, '", ha ricordato 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 mantenere terrazze a gradini su tutta la sua superficie, anche quando i suoi stessi bordi di grano vengono eliminati. Gli atomi in questi "passi" tortuosi presentano solo le giuste energie interfacciali per legare e vincolare hBN, che poi cresce in una direzione mentre si attacca al piano di rame tramite la forza di van der Waals molto debole.

"Ogni superficie ha gradini, ma nel lavoro precedente, i gradini erano su una superficie vicinale costruita, il che significa che vanno tutti giù, o tutto su, " disse. "Ma sul rame (111), i gradini sono su e giù, da solo un atomo o due casualmente, offerto dalla termodinamica fondamentale."

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 gli stessi, ma non sono esatti gemelli speculari, " ha spiegato Yakobson. "C'è una sovrapposizione maggiore con lo strato sottostante su un lato rispetto all'altro".

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

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