Le successeur du cuivre qui pourrait transformer l’industrie des semi-conducteurs

Les avancées technologiques exigent des composants toujours plus miniaturisés, mais cette réduction de taille pose des défis importants en matière de conductivité électrique. Les fils métalliques ultraminces, essentiels pour les signaux électriques dans les puces informatiques, se trouvent souvent être le maillon faible de cette évolution. Comment résoudre cette problématique sans compromettre l’efficacité et la performance des dispositifs électroniques?

Les puces informatiques, en devenant plus petites et complexes, voient leurs fils métalliques ultraminces se transformer en un goulot d’étranglement. Les fils en métaux standards, comme le cuivre, perdent de leur capacité à conduire l’électricité lorsqu’ils deviennent plus fins, limitant ainsi la taille, l’efficacité et la performance des électroniques à l’échelle nanométrique.

Le potentiel du phosphure de niobium

Des chercheurs de Stanford ont démontré dans un article publié le 3 janvier dans la revue Science que le phosphure de niobium pourrait offrir une meilleure conductivité que le cuivre dans des films ne comptant que quelques atomes d’épaisseur. De plus, ces films peuvent être fabriqués et déposés à des températures suffisamment basses pour être compatibles avec la fabrication moderne des puces informatiques. Cette découverte pourrait rendre les futures électroniques plus puissantes et efficaces sur le plan énergétique.

Asir Intisar Khan, détenteur d’un doctorat de Stanford et co-auteur de l’étude, a précisé : « Nous avons brisé une barrière fondamentale des matériaux traditionnels comme le cuivre. » Il a ajouté : « Nos conducteurs en phosphure de niobium montrent qu’il est possible d’envoyer des signaux plus rapides et plus efficaces à travers des fils ultraminces. Cela pourrait améliorer l’efficacité énergétique des puces futures, et même de petits gains s’additionnent lorsque de nombreuses puces sont utilisées, comme dans les centres de données massifs qui stockent et traitent l’information aujourd’hui. »

Un nouveau type de conducteur

Le phosphure de niobium est classé comme un semimétal topologique, un matériau où l’ensemble du volume peut conduire l’électricité, mais avec une conductivité supérieure à la surface. Lorsque le film de phosphure de niobium devient plus mince, la région centrale diminue tandis que les surfaces demeurent constantes, permettant à ces dernières de contribuer davantage au flux électrique, rendant ainsi le matériau globalement meilleur conducteur. À l’inverse, les métaux traditionnels comme le cuivre voient leur performance de conduction diminuer en dessous d’une épaisseur approximative de 50 nanomètres.

Les chercheurs ont observé que le phosphure de niobium surpassait le cuivre en conductivité pour des films d’une épaisseur inférieure à 5 nanomètres, même à température ambiante. À cette échelle, le cuivre peine à suivre le rythme des signaux électriques rapides et perd beaucoup plus d’énergie sous forme de chaleur.

Eric Pop, professeur à l’École d’ingénierie de Stanford et co-auteur principal de l’étude, a souligné : « Les électroniques à haute densité nécessitent des connexions métalliques très fines, et si ces métaux ne conduisent pas bien, ils consomment beaucoup d’énergie. » Il a ajouté : « De meilleurs matériaux pourraient nous permettre de dépenser moins d’énergie dans des fils petits et d’en consacrer plus à la computation effective. »

Des matériaux non cristallins pour l’avenir

Jusqu’à présent, les meilleurs candidats pour les conducteurs à l’échelle nanométrique nécessitaient des structures cristallines extrêmement précises, formées à des températures élevées. Cependant, les films de phosphure de niobium développés par Khan et ses collègues représentent les premiers exemples de matériaux non cristallins dont la conductivité s’améliore avec la réduction de leur épaisseur.

Akash Ramdas, étudiant en doctorat à Stanford et co-auteur de l’étude, a noté : « Il était pensé que pour tirer parti de ces surfaces topologiques, nous devions utiliser des films monocristallins, très difficiles à déposer. » Il a poursuivi : « Maintenant, nous avons une autre classe de matériaux – ces semimetals topologiques – qui pourrait potentiellement réduire la consommation énergétique dans l’électronique. »

Le dépôt des films de phosphure de niobium s’effectue à 400 degrés Celsius, une température assez basse pour ne pas endommager ou détruire les puces en silicium existantes.

Vers une application pratique

Même si les films de phosphure de niobium montrent des promesses, il ne s’agit pas de remplacer immédiatement le cuivre dans toutes les puces informatiques – le cuivre reste un meilleur conducteur dans des films et fils plus épais. Toutefois, le phosphure de niobium pourrait être utilisé pour les connexions les plus fines, ouvrant la voie à la recherche sur d’autres semimetals topologiques.

Xiangjin Wu, un autre étudiant en doctorat à Stanford et co-auteur, a mentionné : « Pour que cette classe de matériaux soit adoptée dans les électroniques futures, nous avons besoin qu’ils soient encore meilleurs conducteurs. » Il a évoqué : « À cette fin, nous explorons d’autres semimetals topologiques. »

Les recherches actuelles visent à transformer les films de phosphure de niobium en fils étroits pour des tests supplémentaires. L’objectif est d’évaluer la fiabilité et l’efficacité du matériau dans des applications réelles.

Eric Pop a conclu : « Nous avons transposé une physique fascinante dans le monde de l’électronique appliquée. Cette percée dans les matériaux non cristallins pourrait aider à résoudre les défis énergétiques des électroniques actuelles et futures. »

Légende illustration : Une puce à motifs avec des dispositifs à barres de Hall en film de phosphure de niobium ultrafin. | Asir Khan / Eric Pop

Source : Stanford