Pas à pas, les scientifiques trouvent de nouvelles façons d'étendre la loi de Moore. La dernière révèle une voie vers des circuits intégrés avec des transistors bidimensionnels.

Un scientifique de l'Université Rice et ses collaborateurs à Taïwan et en Chine ont rapporté dans La nature aujourd'hui qu'ils ont réussi à faire croître des feuilles de nitrure de bore hexagonal (hBN) d'épaisseur atomique sous forme de cristaux de deux pouces de diamètre sur une plaquette.

Étonnamment, ils ont atteint l'objectif longtemps recherché de fabriquer des cristaux de hBN parfaitement ordonnés, un semi-conducteur à large bande interdite, en profitant du désordre entre les marches sinueuses sur un substrat de cuivre. Les étapes aléatoires maintiennent le hBN en ligne.

Inséré dans des puces comme diélectrique entre des couches de transistors nanométriques, Le hBN à l'échelle d'une plaquette excellerait dans l'amortissement de la diffusion et du piégeage des électrons qui limitent l'efficacité d'un circuit intégré. Mais jusqu'à maintenant, personne n'a été capable de fabriquer des cristaux de hBN parfaitement ordonnés et suffisamment gros - dans ce cas, sur une plaquette—pour être utile.

Le théoricien des matériaux de la Brown School of Engineering, Boris Yakobson, est co-scientifique principal de l'étude avec Lain-Jong (Lance) Li de la Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) et son équipe. Yakobson et Chih-Piao Chuu de TSMC ont effectué une analyse théorique et des calculs de premiers principes pour démêler les mécanismes de ce que leurs co-auteurs ont vu dans les expériences.

Comme preuve de concept pour la fabrication, les expérimentateurs du TSMC et de l'Université nationale Chiao Tung de Taïwan ont augmenté de deux pouces, Film hBN 2D, l'a transféré sur du silicium, puis a placé une couche de transistors à effet de champ à motifs sur du bisulfure de molybdène 2-D au-dessus du hBN.

"La principale découverte de ce travail est qu'un monocristal à travers une plaquette peut être réalisé, et puis ils peuvent le déplacer, " Yakobson a dit. " Alors ils peuvent fabriquer des appareils. "

"Il n'y a pas de méthode existante qui puisse produire des diélectriques monocouches hBN avec une reproductibilité extrêmement élevée sur une plaquette, ce qui est nécessaire pour l'industrie électronique, " Li a ajouté. " Cet article révèle les raisons scientifiques pour lesquelles nous pouvons y parvenir. "

Yakobson espère que la technique pourra également s'appliquer largement à d'autres matériaux 2D, avec quelques essais et erreurs. "Je pense que la physique sous-jacente est assez générale, " dit-il. " Le nitrure de bore est un matériau important pour les diélectriques, mais de nombreux matériaux 2-D souhaitables, comme la cinquantaine de dichalcogénures de métaux de transition, ont les mêmes problèmes de croissance et de transfert, et peut bénéficier de ce que nous avons découvert."

En 1965, Gordon Moore d'Intel a prédit que le nombre de transistors dans un circuit intégré doublerait tous les deux ans. Mais à mesure que les architectures de circuits intégrés deviennent plus petites, avec des lignes de circuit jusqu'à quelques nanomètres, le rythme des progrès a été difficile à maintenir.

La possibilité d'empiler des calques 2D, chacun avec des millions de transistors, peuvent surmonter ces limitations si elles peuvent être isolées les unes des autres. L'isolant hBN est un candidat de choix à cette fin en raison de sa large bande interdite.

Bien qu'il ait "hexagonal" dans son nom, les monocouches de hBN vues de dessus apparaissent comme une superposition de deux réseaux triangulaires distincts d'atomes de bore et d'azote. Pour que le matériau soit conforme aux spécifications, Les cristaux de hBN doivent être parfaits; C'est, les triangles doivent être connectés et tous pointent dans la même direction. Les cristaux non parfaits ont des joints de grains qui dégradent les propriétés électroniques du matériau.

Pour que hBN devienne parfait, ses atomes doivent s'aligner précisément avec ceux du substrat en dessous. Les chercheurs ont découvert que le cuivre dans un arrangement (111) - le nombre fait référence à la façon dont la surface du cristal est orientée - fait le travail, mais seulement après recuit du cuivre à haute température sur un substrat de saphir et en présence d'hydrogène.

Le recuit élimine les joints de grains dans le cuivre, laissant un seul cristal. Une surface aussi parfaite serait, cependant, être « beaucoup trop fluide » pour appliquer l'orientation hBN, dit Yakobson.

Yakobson a fait état d'une recherche l'année dernière pour faire pousser du borophène vierge sur de l'argent (111), et aussi une prédiction théorique que le cuivre peut aligner hBN en vertu des étapes complémentaires sur sa surface. La surface de cuivre était vicinale, c'est-à-dire légèrement mal coupé pour exposer les étapes atomiques entre les vastes terrasses. Ce document a attiré l'attention des chercheurs industriels de Taïwan, qui a approché le professeur après une conférence l'année dernière.

"Ils ont dit, 'Nous avons lu votre journal, '" se souvient Yakobson. "'Nous voyons quelque chose d'étrange dans nos expériences. Pouvons-nous parler?' C'est comme ça que ça a commencé."

Fort de son expérience antérieure, Yakobson a suggéré que les fluctuations thermiques permettent au cuivre (111) de conserver des terrasses en forme de marches sur sa surface, même lorsque ses propres joints de grains sont éliminés. Les atomes dans ces "étapes" sinueuses présentent juste les bonnes énergies interfaciales pour lier et contraindre hBN, qui se développe ensuite dans une direction tout en se fixant au plan de cuivre via la très faible force de van der Waals.

"Chaque surface a des marches, mais dans les travaux antérieurs, les marches étaient sur une surface vicinale durcie, ce qui signifie qu'ils descendent tous, ou tout en haut, " dit-il. " Mais sur le cuivre (111), les marches montent et descendent, par juste un atome ou deux au hasard, offert par la thermodynamique fondamentale."

En raison de l'orientation du cuivre, les plans atomiques horizontaux sont décalés d'une fraction par rapport au réseau en dessous. "Les bords de la surface se ressemblent, mais ce ne sont pas des jumeaux-miroirs exacts, " Yakobson a expliqué. " Il y a un plus grand chevauchement avec la couche ci-dessous d'un côté que de l'autre. "

Cela rend les énergies de liaison de chaque côté du plateau de cuivre différentes d'une minute 0,23 électron-volt (pour chaque quart de nanomètre de contact), ce qui est suffisant pour forcer les noyaux hBN amarrés à croître dans le même sens, il a dit.

L'équipe expérimentale a trouvé que l'épaisseur de cuivre optimale était de 500 nanomètres, suffisant pour empêcher son évaporation pendant la croissance de l'hBN par dépôt chimique en phase vapeur d'ammoniac borane sur un substrat de cuivre (111)/saphir.