Маленький шаг для атомов, гигантский скачок для микроэлектроники

Шаг за шагом ученые находят новые способы расширения закона Мура. Один из них раскрывают путь к интегральным микросхемам с двухмерными транзисторами.

Ученый из Университета Райса и его сотрудники из Тайваня и Китая сообщили в Nature, что они успешно выращивают на подложке листы гексагонального нитрида бора (hBN) в виде кристаллов диаметром два дюйма.

Установленный в микросхемы в качестве диэлектрика между слоями наноразмерных транзисторов hBN преуспел бы в гашении рассеяния и захвата электронов, которые ограничивают эффективность интегральной схемы. Но до сих пор никто не смог сделать идеально упорядоченные кристаллы hBN, которые достаточно велики - в данном случае на подложке - для того, чтобы быть полезными.

Борис Якобсон (Boris Yakobson), теоретик материаловедения в Школе прикладной физики Брауна, является одним из ведущих ученых в исследовании совместно с Лэйн-Юн Ли (Lain-Jong (Lance) Li) из Тайваньской компании по производству полупроводников (TSMC) и его командой. Якобсон и Чих-Пяо Чуу (Chih-Piao Chuu) из TSMC провели теоретический анализ и расчеты основных принципов, чтобы раскрыть механизмы того, что их соавторы видели в экспериментах.

В качестве доказательства концепции производства экспериментаторы из TSMC и Тайваньского национального университета Чао Тун вырастили двухдюймовую двумерную пленку hBN, перенесли ее на кремний и затем поместили слой полевых транзисторов, нанесенных на двумерный дисульфид молибдена, поверх hBN.

«Главное открытие в этой работе заключается в том, что можно получить монокристалл на всей подложке, а затем его можно переместить, - сказал Якобсон. - Тогда можно делать устройства».

Возможность укладывать 2D-слои, каждый из которых имеет миллионы транзисторов, может преодолеть ограничения закона Мура, если они могут быть изолированы друг от друга. Изолятор hBN является основным кандидатом для этой цели из-за его широкой запрещенной зоны.

Чтобы hBN стал идеальным, его атомы должны точно совпадать с атомами на подложке ниже. Исследователи обнаружили, что медь в расположении (111) - число относится к ориентации поверхности кристалла - выполняет свою работу, но только после того, как медь отжигается при высокой температуре на сапфировой подложке и в присутствии водорода.

Отжиг устраняет границы зерен в меди, оставляя монокристалл. Однако, по словам Якобсона, такая идеальная поверхность была бы «слишком гладкой» для обеспечения ориентации hBN.

Опираясь на свой предыдущий опыт, Якобсон предположил, что тепловые флуктуации позволяют меди (111) сохранять ступенчатые террасы по всей ее поверхности, даже когда ее собственные границы зерен устранены. Атомы в этих меандрических «шагах» представляют собой только правильные граничные энергии для связывания и ограничения hBN, который затем растет в одном направлении, в то время как он присоединяется к плоскости меди посредством очень слабой силы Ван-дер-Ваальса.

Из-за ориентации меди горизонтальные атомные плоскости смещены на доли к решетке внизу. «Поверхностные грани выглядят одинаково, но они не являются точными зеркальными близнецами, - объяснил Якобсон. – Есть большее перекрытие со слоем ниже, чем на противоположной стороне».

Это делает энергии связи на каждой стороне медного плато различными на 0,23 В (на каждую четверть нанометра контакта), что достаточно для того, чтобы заставить стыковочные ядра hBN расти в одном направлении, сказал он.

Экспериментальная группа обнаружила, что оптимальная толщина меди составляла 500 нм, что достаточно для предотвращения ее испарения во время роста hBN путем химического осаждения паров аммиака бороводорода на подложке из меди (111)/сапфира.