Paso a paso, los científicos están descubriendo nuevas formas de extender la Ley de Moore. La última revela un camino hacia 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 cultivado con éxito láminas de nitruro de boro hexagonal hBN de grosor atómico como cristales de dos pulgadas de diámetro en una oblea
Sorprendentemente, lograron el objetivo largamente buscado de hacer cristales perfectamente ordenados de hBN, un semiconductor de banda ancha, aprovechando el desorden entre los pasos serpenteantes sobre un sustrato de cobre. Los pasos aleatorios mantienen el hBN en línea.
Configurado en chips como un dieléctrico entre capas de transistores a nanoescala, el hBN a escala de oblea se destacaría en la amortiguación de la dispersión y captura de electrones que limitan la eficiencia de un circuito integrado. Pero hasta ahora, nadie ha sido capaz de hacer cristales de hBN perfectamente ordenados queson lo suficientemente grandes, en este caso, en una oblea, como para ser útiles.
El teórico de materiales de la Escuela de Ingeniería de Brown, Boris Yakobson, es co-científico principal en el estudio con Lain-Jong Lance Li de Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. TSMC y su equipo. Yakobson y Chih-Piao Chuu de TSMC realizaron estudios teóricosanálisis y cálculos de primeros principios para desentrañar los mecanismos de lo que vieron sus coautores en los experimentos.
Como prueba de concepto para la fabricación, los experimentadores de TSMC y la Universidad Nacional Chiao Tung de Taiwán cultivaron una película 2D hBN de dos pulgadas, la transfirieron a silicio y luego colocaron una capa de transistores de efecto de campo modelados en disulfuro de molibdeno 2D encima delhBN.
"El descubrimiento principal en 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 un método existente que pueda producir dieléctricos monocapa de hBN con una reproducibilidad extremadamente alta en una oblea, lo cual es necesario para la industria electrónica", agregó Li. "Este documento revela las razones científicas por las que podemos lograr esto".
Yakobson espera que la técnica también pueda aplicarse ampliamente a otros materiales 2D, 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 deseablesLos materiales en 2D, como los aproximadamente 50 diclcogenuros de metales de transición, tienen los mismos problemas con el crecimiento y la transferencia, y pueden beneficiarse de lo que descubrimos ".
En 1975, Gordon Moore de Intel predijo que el número 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 unos pocos nanómetros, el ritmo de progreso ha sido difícil de mantener.
La capacidad de apilar capas 2D, cada una con millones de transistores, puede superar tales limitaciones si se pueden aislar unas de otras. Aislar hBN es un candidato principal para ese propósito debido a su gran espacio de banda.
A pesar de tener "hexagonal" en su nombre, las monocapas de hBN como se ve desde arriba aparecen como una superposición de dos redes triangulares distintas de átomos de boro y nitrógeno. Para que el material funcione de acuerdo con las especificaciones, los cristales de hBN deben ser perfectos; eso es, los triángulos deben estar conectados y todos apuntan en la misma dirección. Los cristales no perfectos tienen límites de grano que degradan las propiedades electrónicas del material.
Para que hBN se vuelva perfecto, sus átomos tienen que alinearse con precisión con los del substrato a continuación. 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 del recocido del cobre a alta temperatura en un sustrato de zafiro y en presencia de hidrógeno.
El recocido elimina los límites de grano en el cobre, dejando un solo cristal. Sin embargo, una superficie tan perfecta sería "demasiado suave" para imponer la orientación de hBN, dijo Yakobson.
Yakobson informó sobre una investigación el año pasado para cultivar borofeno prístino en plata 111, y también una predicción teórica de que el cobre puede alinear el hBN en virtud de los pasos complementarios en su superficie. La superficie del cobre fue vicinal, es decir, ligeramente cortadapara exponer los pasos atómicos entre las terrazas expansivas. Ese documento llamó la atención de investigadores industriales en Taiwán, quienes se acercaron al profesor después de una charla allí el año pasado.
"Dijeron: 'Leímos su periódico'", recordó Yakobson. "'Vemos algo extraño en nuestros experimentos. ¿Podemos hablar?' Así es como comenzó".
Informado por su experiencia anterior, Yakobson sugirió que las fluctuaciones térmicas permiten que el cobre 111 retenga terrazas en forma de escalones a través de su superficie, incluso cuando se eliminan sus propios límites de grano. Los átomos en estos "escalones" serpenteantes presentan el interfaz justoenergías para unir y restringir hBN, que luego crece en una dirección mientras se une 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 suben", dijo. "Pero en cobre 111, los escalonesestán arriba y abajo, por un átomo o dos al azar, ofrecidos por la termodinámica fundamental ".
Debido a la orientación del cobre, los planos atómicos horizontales están compensados por una fracción del enrejado debajo. "Los bordes de los escalones de la superficie se ven iguales, pero no son gemelos de espejo exactos", explicó Yakobson. "Hay una más grandese superponen con la capa de abajo en un lado que en el opuesto "
Eso hace que las energías de unión en cada lado de la meseta de cobre sean diferentes en un minuto de 0.23 electronvoltios por cada cuarto de nanómetro de contacto, lo cual es suficiente para forzar que los núcleos de hBN de acoplamiento crezcan en la misma dirección, dijo.
El equipo experimental descubrió que el grosor óptimo del cobre era de 500 nanómetros, suficiente para evitar su evaporación durante el crecimiento de hBN a través de la deposición química de vapor de amonio borano en un sustrato de cobre 111 / zafiro.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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