La fabrication de semi-conducteurs de nouvelle génération et de dispositifs électroniques à faible consommation nécessite d’empiler précisément des matériaux aux fonctions différentes. Dans ce processus, il est essentiel de préserver sans dommage les propriétés intrinsèques de chaque matériau, ainsi que l’interface où les deux matériaux se rencontrent. Les matériaux lamellaires de van der Waals, notamment les dichalcogénures de métaux de transition (TMD), suscitent un intérêt considérable en tant que plateformes semi-conductrices de nouvelle génération, car leurs couches interagissent par des forces faibles, ce qui permet d’empiler différents matériaux tout en conservant des interfaces atomiquement propres.
Le KAIST a annoncé le 27 juillet qu’une équipe de recherche dirigée par le professeur Joonki Suh, du département de génie chimique et biomoléculaire, en collaboration avec l’équipe du professeur Bonggeun Shong de l’université de Hanyang et celle du professeur Yimo Han de l’université Rice aux États-Unis, a développé une nouvelle technique de fabrication de semi-conducteurs fondée sur le dépôt de couches atomiques (ALD). L’ALD est un procédé de dépôt de couches minces dans lequel les précurseurs semi-conducteurs sont fournis séquentiellement, ce qui permet de déposer des couches minces uniformes avec un contrôle de l’épaisseur au niveau atomique.
L’équipe de recherche s’est concentrée sur les matériaux de van der Waals. Ces matériaux semi-conducteurs bidimensionnels sont constitués de plusieurs couches atomiques maintenues ensemble par de faibles forces intercouches, ce qui permet de les détacher en feuilles aussi fines que du papier. Comme différents matériaux peuvent être empilés librement, les matériaux de van der Waals sont considérés comme des éléments clés pour les puces d’IA de nouvelle génération et les dispositifs semi-conducteurs à ultra-faible consommation.
Cependant, leurs surfaces chimiquement stables rendent difficile la croissance de nouvelles couches semi-conductrices selon une orientation uniformément alignée. Ce défi devient encore plus grand à basse température, où les atomes ont tendance à germer et à croître dans des directions aléatoires, ce qui rend difficile la production de films semi-conducteurs de haute performance.
L’équipe de recherche a développé une nouvelle méthode qui permet aux précurseurs contenant du tellure (Te) — des briques moléculaires utilisées pour fabriquer des semi-conducteurs — de se déplacer librement à la surface, de trouver les positions les plus stables sur le plan énergétique et de former un film mince.
Le tellure attire l’attention en tant que matériau clé pour les semi-conducteurs de nouvelle génération et les dispositifs optoélectroniques, notamment les photodétecteurs et les diodes électroluminescentes (LED), car il combine une conductivité électrique fortement dépendante de la direction et d’excellentes propriétés de contrôle de la lumière.
Grâce à cette approche, l’équipe de recherche est parvenue à obtenir une croissance épitaxiale du tellure uniformément dans une seule direction sur des matériaux de van der Waals — des matériaux semi-conducteurs bidimensionnels de nouvelle génération composés de multiples couches atomiquement fines empilées comme des feuilles de papier — à basse température (150 °C) par ALD. Lors de la croissance épitaxiale, un nouveau film semi-conducteur se développe de manière ordonnée en suivant la disposition atomique du cristal sous-jacent, ce qui permet la fabrication précise de films semi-conducteurs de haute qualité. Ce processus est comparable à l’empilement soigné de briques dans la même direction plutôt qu’à leur placement aléatoire, ce qui peut améliorer le transport électrique et renforcer les performances des semi-conducteurs.
Les chercheurs ont également confirmé que la technologie pouvait être appliquée à divers matériaux de van der Waals, notamment le diséléniure de tungstène (WSe2), le disulfure de molybdène (MoS2), le diséléniure de rhénium (ReSe2) et le mica. Cela démontre que la méthode ne se limite pas à un seul matériau, mais peut être largement utilisée avec divers matériaux semi-conducteurs de nouvelle génération.
L’équipe a ensuite utilisé les films semi-conducteurs obtenus pour fabriquer des transistors, des dispositifs semi-conducteurs clés qui contrôlent le flux de courant électrique, ainsi que des dispositifs optoélectroniques qui détectent ou émettent de la lumière. Cela a démontré que la nouvelle technologie de fabrication ne se limite pas à la croissance de matériaux à l’échelle du laboratoire, mais peut également être appliquée à la fabrication de dispositifs semi-conducteurs fonctionnels.
« Cette étude démontre pour la première fois que des films semi-conducteurs de haute qualité peuvent être obtenus sur des matériaux de van der Waals à basse température sans endommager les matériaux sous-jacents », a déclaré le professeur Suh. « Nous prévoyons que cette technologie servira de plateforme de fabrication clé pour intégrer une large gamme de semi-conducteurs de nouvelle génération sur une seule puce », a-t-il ajouté.
Article : Van der Waals template-encoded soft epitaxy of tellurium enabled by atomic layer deposition – Journal : Science Advances – DOI : Lien vers l’étude
Source : KAIST
