Автор: AZoNano 5 марта 2020 г. [196][19459194591945

Исследователи постепенно находят новаторские способы расширения Закон Мура. Один новый способ показывает путь к встроенным схемам, которые имеют двумерные (2D) транзисторы.

Исследователь из Райсского университета и его коллеги в Китае и на Тайване сообщили, что толстые атомные листы гексагонального нитрида бора (hBN) были выращены в виде двух дюймовые кристаллы над пластиной. Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале Nature .

hBN – полупроводник с широкой запрещенной зоной. Исследователи с неожиданно достигли долгожданной цели получения идеально упорядоченных кристаллов hBN, используя беспорядок, который существует среди случайных ступеней на медной подложке. Эти меандрирующие шаги отвечают за поддержание линии hBN.

Известно, что пластинчатый hBN, встроенный в микросхемы в качестве диэлектрика между наноразмерными транзисторными слоями, обладает превосходными характеристиками в подавлении рассеяния и захвата электронов, которые ограничивают эффективность встроенной схемы. Однако до настоящего времени никому не удавалось сделать идеально упорядоченные кристаллы hBN, которые были бы достаточно большими – в этом примере на пластине – полезными.

Борис Якобсон – теоретик материаловедения в Школе инженерии им. Брауна, а также один из ведущих исследователей исследования Лейн-Чен (Ланс) Ли из Тайваньской компании по производству полупроводников (TSMC) и его группы. .

Теоретический анализ, а также вычисления из первых принципов были выполнены Якобсоном и Чи-Пяо Чу из TSMC, и они впоследствии выявили механизмы того, что их соавторы наблюдали в экспериментах.

Экспериментаторы из Тайваньского национального университета Чао Тунг и TSMC разработали двухдюймовую 2D пленку hBN в качестве доказательства концепции производства. Затем они перенесли эту пленку hBN в кремний и добавили слой полевых транзисторов, которые были нанесены на двумерный дисульфид молибдена поверх пленки hBN.

Главное открытие в этой работе – то, что монокристалл через пластину может быть достигнут, и тогда они могут переместить это. Тогда они могут делать устройства.

Борис Якобсон, теоретик материаловедения, инженерная школа Джорджа Р. Брауна, Университет Райса

« Не существует метода, который мог бы производить монослойные диэлектрики hBN с чрезвычайно высокой воспроизводимостью на пластине, что необходимо для электронной промышленности », – добавил Ли. « Эта статья раскрывает научные причины, почему мы можем достичь этого .»

Якобсон считает, что этот метод также может быть широко применен к другим типам 2D материалов, используя несколько методов проб и ошибок.

Я думаю, что основная физика довольно общая. Нитрид бора является важным материалом для диэлектриков, но многие желательные двумерные материалы, такие как 50 или около того дихалькогенидов переходных металлов, имеют те же проблемы с ростом и переносом, и могут извлечь выгоду из того, что мы обнаружили.

Борис Якобсон, теоретик материаловедения, инженерная школа Джорджа Р. Брауна, Университет Райса

Еще в 1975 году Intel Гордон Мур ожидал, что число транзисторов, присутствующих во встроенной схеме, будет увеличиваться в два раза каждые пару лет. Однако по мере того, как конструкция интегральных микросхем становится меньше, поскольку размер линий составляет всего несколько нанометров, поддерживать скорость развития было довольно сложно.

Возможность складывать 2D слои, каждый из которых имеет неограниченное количество транзисторов, может устранить эти ограничения, если эти слои отделены друг от друга. Из-за своей широкой запрещенной зоны изоляция hBN является основным кандидатом, предназначенным для этой цели.

Несмотря на то, что в названии указано «гексагональное», монослои hBN, как показано на изображении выше, выглядят как суперпозиция пары отдельных треугольных решеток атомов азота и бора.

Если материал должен соответствовать техническим требованиям, то кристаллы hBN должны быть идеальными; другими словами, треугольники должны быть связаны, и все должны указывать в одном направлении. Границы зерен, которые существуют в несовершенных кристаллах, ухудшают электронные свойства материала.

Для идеального hBN его атомы должны точно совпадать с атомами на подложке ниже. Ученые обнаружили, что в то время как медь в расположении (111) – число относится к ориентации поверхности кристалла – выполняет свою работу, она делает это только после того, как она отожжена в присутствии водорода и при экстремальной температуре на сапфировой подложке. .

Отжиг удаляет границы зерен, присутствующие в меди, и оставляет после себя монокристалл. Но идеальная поверхность, подобная этой, была бы «слишком гладкой» для реализации ориентации hBN, добавил Якобсон.

В прошлом году Якобсон опубликовал исследование о том, как выращивать первичный борофен на серебре (111). Он также сообщил о теоретическом прогнозе, что медь способна выравнивать hBN благодаря дополнительным шагам, которые существуют на его поверхности. Поверхность меди была вицинальной, что означает несколько неправильное нахождение атомных ступеней между обширными террасами. Это исследование вызвало интерес у тайваньских промышленных исследователей, которые обратились к профессору после беседы в прошлом году.

« Они сказали:« Мы читаем вашу газету », – вспоминал Якобсон. «‘ Мы видим что-то странное в наших экспериментах. Можем ли мы поговорить? »Вот как это началось .»

Я основываясь на своем предыдущем опыте, Якобсон предположил, что медь (111) способна удерживать ступенчатые террасы над своей поверхностью из-за тепловых флуктуаций, даже когда ее собственные границы зерен удалены.

Атомы в этих случайных «шагах» обеспечивают идеальные межфазные энергии для связывания и ограничения hBN. Впоследствии этот hBN растет в одном направлении, в то время как он связывается с медной плоскостью через довольно слабую силу Ван-дер-Ваальса.

У каждой поверхности есть ступеньки, но в предыдущей работе ступени находились на тщательно спроектированной вицинальной поверхности, что означает, что все они опускаются или все вверх. Но на меди (111), ступени вверх и вниз, всего на один или два атома случайным образом, предложенные фундаментальной термодинамикой.

Борис Якобсон, теоретик материаловедения, инженерная школа Джорджа Р. Брауна, Университет Райса

Из-за ориентации меди горизонтальные атомные плоскости смещены на долю решетки внизу. « Поверхностные ступеньки выглядят одинаково, но они не являются точными зеркальными близнецами », – объяснил Якобсон. « С одной стороны слой ниже, чем на противоположной стороне ».

Это явление делает энергии связи на каждой стороне медного плато различными на маленькие 0,23 эВ (для каждого четверти нанометра контакта). Этой энергии достаточно, чтобы заставить док-ядра hBN расти в том же направлении, добавил Якобсон.

Экспериментальная исследовательская группа заметила, что оптимальная толщина меди составляла 500 нм, что достаточно для предотвращения ее испарения во время роста hBN за счет химического осаждения паров аммиака борана на сапфир / медь (111) субстрат.

Це-Ан Чен из TSMC является соавтором исследования. Другими соавторами являются Чиен-Чжи Ценг, Чао-Кай Вэнь, Вэй-Чен Чуех и Вэнь-Хао Чанг из Чао Тун; H.-S. Филип Вонг и Цу-Анг Чао из TSMC; Шуанъюань Пан и Яньфэн Чжан из Пекинского университета, Китай; Цян Фу из Академии наук Китая, Далянь, Китай; и Ронгтан Ли из Китайской академии наук и Университета Китайской академии наук, Пекин.

Якобсон также является профессором материаловедения и наноинженерии им. Карла Ф. Хассельмана и профессором химии в Университете Райса. Чанг является профессором Чао Туна и директором Центра исследований функциональной материи в университете Райса. Ли – директор по корпоративным исследованиям в компании Taiwan Semiconductor Manufacturing Co.

Исследование было поддержано Министерством науки и технологий Тайваня, Министерством образования Тайваня, TSMC, Национальным фондом естественных наук Китая, Министерством энергетики США и Китайской академией наук.

Источник: http://www.rice.edu/