Les semi-conducteurs atomiquement fins peuvent être réduits à des dimensions pertinentes pour les futures puces électroniques sans perte de performance, selon une nouvelle étude publiée dans Nature Nanotechnology. Cette découverte lève un obstacle clé à l’utilisation des semi-conducteurs bidimensionnels dans l’électronique de nouvelle génération et pourrait ouvrir la voie à des technologies informatiques plus puissantes et économes en énergie.
Les puces électroniques modernes contiennent des milliards de transistors en silicium – de minuscules interrupteurs électriques qui traitent, stockent et déplacent des informations. Pendant des décennies, la miniaturisation de ces transistors a été le principal moyen de rendre l’électronique plus rapide, plus puissante et plus économe en énergie. Mais poursuivre cette tendance devient de plus en plus difficile, car les dimensions les plus critiques des transistors avancés se mesurent déjà en quelques nanomètres. À ces dimensions, le silicium, le matériau qui domine l’électronique moderne, commence à rencontrer des limites matérielles fondamentales.
Parmi les alternatives les plus prometteuses figurent les matériaux atomiquement fins appelés semi-conducteurs bidimensionnels, ou semi-conducteurs 2D. Ces matériaux sont constitués d’une fine couche d’atomes, ce qui permet une électronique à faible consommation grâce à leur excellent contrôle électrique. Pourtant, une question majeure restait sans réponse : peuvent-ils encore bien fonctionner aux dimensions extrêmement petites requises par les futures technologies de puces ?
La nouvelle étude publiée dans Nature Nanotechnology apporte désormais une réponse prometteuse. L’équipe de recherche a fabriqué des transistors à partir de semi-conducteurs bidimensionnels avec des largeurs de canal aussi petites que 25 nanomètres – environ 3 000 fois plus fines qu’un cheveu humain. Malgré leur taille minuscule, les dispositifs ont fonctionné aussi bien que des transistors à semi-conducteurs 2D beaucoup plus larges. La nanofabrication et la caractérisation électrique ont été réalisées à l’Université Stanford aux États-Unis, tandis que l’analyse ultérieure a été effectuée à l’Université de technologie Chalmers en Suède.
« Ce sont certains des transistors les plus fins et les plus performants démontrés dans les semi-conducteurs bidimensionnels », affirme Anton Persson, professeur assistant à l’Université de technologie Chalmers en Suède, qui a codirigé l’étude. « Ce qui est particulièrement encourageant, et qui nous a d’ailleurs surpris, c’est que les transistors sont restés bien comportés même lorsqu’ils ont été réduits à des dimensions pertinentes pour les futures technologies industrielles. C’était une incertitude majeure dans le domaine. »
Une nouvelle conception et approche de fabrication ont permis de surmonter un obstacle clé
Bien que la finesse exceptionnelle des semi-conducteurs 2D les ait rendus attrayants pour l’électronique future, les chercheurs ont eu du mal à réduire leur largeur sans dégrader leurs performances. À mesure que les transistors deviennent plus étroits, leurs bords jouent un rôle plus important, suscitant des inquiétudes quant au fait que des défauts et des dommages pourraient limiter leurs performances. La nouvelle étude montre que cette limitation pourrait être moins sévère qu’on ne le craignait auparavant.
Les chercheurs ont fabriqué des transistors nanorubans en utilisant trois semi-conducteurs 2D atomiquement fins différents. Pour les trois matériaux, les transistors étroits ont maintenu un comportement de commutation bien réglé et des performances comparables à celles de dispositifs plus grands.
« Les transistors 2D en disulfure de tungstène étaient particulièrement remarquables, car leur densité de courant a été améliorée de plus de cent fois par rapport aux démonstrations précédentes, grâce à une meilleure qualité du matériau et à des contacts métalliques améliorés », explique Anton Persson.
Cette percée a été permise par une combinaison de conception innovante des dispositifs et de techniques avancées de nanofabrication. L’équipe a développé une structure dite « en os de chien », avec un canal de transistor extrêmement étroit et des zones plus larges sous les contacts électriques pour aider à ancrer le matériau en place.
« Notre approche améliorée de nanofabrication a été la clé pour obtenir ces résultats », déclare Tara Peña, chercheuse postdoctorale en génie électrique à Stanford et co-auteure principale de l’étude. « Nous espérons que d’autres chercheurs adopteront des méthodes similaires et continueront d’optimiser les dispositifs 2D à des dimensions pertinentes pour l’industrie. »
Vers une informatique plus durable
Ces résultats renforcent l’argument en faveur des semi-conducteurs 2D atomiquement fins en tant que briques élémentaires potentielles pour les futures générations d’électronique.
« Les semi-conducteurs 2D atomiquement fins possèdent de nombreuses propriétés passionnantes qui nous offrent un moyen d’explorer ce qui pourrait devenir possible au-delà de l’électronique actuelle au silicium », explique Anton Persson. « À long terme, les technologies basées sur ces matériaux pourraient contribuer à une électronique plus puissante et plus économe en énergie. »
Des défis importants subsistent avant que cette technologie n’atteigne une production commerciale. « Nos résultats ne signifient pas que les semi-conducteurs 2D atomiquement fins sont prêts à remplacer le silicium demain », déclare Eric Pop, professeur à l’Université Stanford et auteur correspondant de l’étude. « Mais ils montrent que l’une des principales préoccupations concernant la miniaturisation pourrait être bien moins limitante qu’on ne le pensait. »
En savoir plus sur la recherche : Les chercheurs ont fabriqué des transistors nanorubans en utilisant trois semi-conducteurs 2D atomiquement fins différents : le disulfure de molybdène (MoS2), le disulfure de tungstène (WS2) et le diséléniure de tungstène (WSe2). Pour éviter que le matériau atomiquement fin et délicat ne se déchire ou ne se décolle lors de la fabrication, l’équipe a développé une structure dite « en os de chien ». Dans cette nouvelle conception, le canal du transistor est rendu extrêmement étroit tandis que des zones plus larges sous les contacts électriques aident à ancrer le matériau en place. Les chercheurs ont également utilisé une technique avancée de multipatterning qui a gravé le matériau en deux étapes à partir de directions différentes, permettant d’obtenir des canaux aussi étroits que 25 nanomètres.
Article : Scaling nanoribbon transistors with monolayer transition metal dichalcogenides – Journal : Nature Nanotechnology – Méthode : Experimental study
Source : Chalmers U.
