Các nhà nghiên cứu của Đại học Nam Florida gần đây đã phát triển một cách tiếp cận mới để giảm thiểu sự di chuyển điện trong các kết nối điện tử kích thước nano phổ biến trong các mạch tích hợp hiện đại. Điều này đạt được bằng cách phủ các liên kết kim loại đồng bằng boron nitride lục giác (hBN), một vật liệu hai chiều (2-D) cách điện mỏng về mặt nguyên tử có cấu trúc tương tự như graphene “vật liệu kỳ diệu”.
Chuyển động điện là hiện tượng dòng điện đi qua vật dẫn gây ra sự ăn mòn ở quy mô nguyên tử của vật liệu, cuối cùng dẫn đến hỏng thiết bị. Thông thường Semiconductor công nghệ giải quyết thách thức này bằng cách sử dụng vật liệu chắn hoặc vật liệu lót, nhưng điều này chiếm không gian quý giá trên tấm bán dẫn mà lẽ ra có thể được sử dụng để đóng gói nhiều bóng bán dẫn hơn. Phương pháp tiếp cận của trợ lý giáo sư kỹ thuật cơ khí USF Michael Cai Wang hoàn thành được mục tiêu tương tự, nhưng với vật liệu mỏng nhất có thể trên thế giới, vật liệu hai chiều (2-D).
“Công trình này mang đến những cơ hội mới cho nghiên cứu về tương tác bề mặt giữa kim loại và vật liệu 2-D ở quy mô ångström. Cải thiện điện tử và bán dẫn hiệu suất thiết bị chỉ là một kết quả của nghiên cứu này. Những phát hiện từ nghiên cứu này mở ra những khả năng mới có thể giúp thúc đẩy việc sản xuất chất bán dẫn và mạch tích hợp trong tương lai”, Wang nói. “Chiến lược đóng gói mới của chúng tôi sử dụng hBN một lớp làm vật liệu rào cản cho phép mở rộng hơn nữa mật độ thiết bị và sự phát triển của Định luật Moore.” Để tham khảo, một nanomet là 1/60,000 độ dày của tóc người và ångström là một phần mười nanomet. Thao tác với vật liệu 2 chiều có độ mỏng như vậy đòi hỏi độ chính xác cực cao và khả năng xử lý tỉ mỉ.
Trong nghiên cứu gần đây của họ được công bố trên tạp chí Nâng cao điện tử Vật liệu, các kết nối đồng được phân chia thụ động với hBN đơn lớp thông qua phương pháp tương thích back-end-of-line (BEOL) thể hiện tuổi thọ thiết bị lâu hơn 2500% và mật độ dòng điện cao hơn 20% so với các thiết bị điều khiển giống hệt nhau. Cải tiến này, cùng với độ mỏng ångström của hBN so với các vật liệu rào cản / lớp lót thông thường, cho phép tăng cường mật độ các mạch tích hợp. Những phát hiện này sẽ giúp nâng cao hiệu quả của thiết bị và giảm tiêu thụ năng lượng.
“Với nhu cầu ngày càng tăng về xe điện và lái xe tự hành, nhu cầu về máy tính hiệu quả hơn đã tăng theo cấp số nhân. Lời hứa về mật độ và hiệu suất mạch tích hợp cao hơn sẽ cho phép phát triển ASIC tốt hơn (mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng) phù hợp với nhu cầu năng lượng sạch đang nổi lên này, ”Yunjo Jeong, một cựu sinh viên từ nhóm của Wang và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu giải thích.
Một chiếc ô tô hiện đại trung bình có hàng trăm thành phần vi điện tử, và tầm quan trọng của những thành phần nhỏ bé nhưng quan trọng này đã được đặc biệt nhấn mạnh thông qua tình trạng thiếu chip toàn cầu gần đây. Làm cho việc thiết kế và sản xuất các mạch tích hợp này hiệu quả hơn sẽ là chìa khóa để giảm thiểu những gián đoạn có thể xảy ra trong tương lai đối với chuỗi cung ứng. Wang và các sinh viên của ông hiện đang nghiên cứu các cách để tăng tốc quá trình của họ lên quy mô lớn.
“Phát hiện của chúng tôi không chỉ giới hạn ở các kết nối điện trong bán dẫn nghiên cứu. Thực tế là chúng tôi đã có thể đạt được sự cải tiến thiết bị kết nối liên thông mạnh mẽ như vậy ngụ ý rằng vật liệu 2-D cũng có thể được áp dụng cho nhiều tình huống khác nhau ”. Wang nói thêm.