Les matériaux 2D font leur entrée dans la microélectronique

Une réalisation inédite s’est produite au sein de l’université des sciences et technologies du Roi Abdullah (KAUST) : la fabrication du tout premier microcircuit intégré fonctionnel conçu à partir de matériaux bidimensionnels. Cette conquête technologique offre un aperçu du potentiel des matériaux 2D pour améliorer et diversifier les performances des technologies basées sur des micro-puces.

La première démonstration d’une puce fonctionnelle intégrant des matériaux bidimensionnels atomiquement minces aux propriétés exotiques annonce une nouvelle ère pour la microélectronique.

Une recherche inspirée par le potentiel des matériaux 2D

Depuis l’obtention des premières couches atomiques de graphite – appelées graphène – en 2004, ces matériaux suscitent un vif intérêt en raison de leurs propriétés physiques prometteuses. Pourtant, malgré deux décennies de recherches, la production de micro-dispositifs fonctionnels basés sur ces matériaux 2D a été freinée par les difficultés de fabrication et de manipulation de ces films minces fragiles.

Inspirée par les réalisations récentes du laboratoire Lanza sur les films 2D fonctionnels, l’équipe de KAUST a franchi une nouvelle étape en produisant et en démontrant un prototype de micro-puce basée sur un matériau 2D.

Un défi relevé pour une intégration réussie

« Notre objectif était d’accroître le niveau de préparation technologique des dispositifs et circuits électroniques basés sur des matériaux 2D en utilisant comme base les micro-circuits CMOS conventionnels à base de silicium et les techniques de fabrication de semi-conducteurs standard« , commente Mario Lanza. Le défi, cependant, est que les matériaux 2D synthétiques peuvent contenir des défauts locaux, comme des impuretés atomiques, qui peuvent provoquer la défaillance de petits dispositifs. De plus, il est très difficile d’intégrer le matériau 2D dans la micro-puce sans l’endommager.

Le groupe de recherche a optimisé la conception de la puce pour faciliter sa fabrication et minimiser l’effet des défauts. Pour ce faire, ils ont fabriqué des transistors CMOS standard sur un côté de la puce et alimenté les interconnexions à travers le dessous, où le matériau 2D pourrait être transféré de manière fiable sur de petits blocs de moins de 0,25 micromètres.

Le nitrure de bore hexagonal : une clé de la réussite

« Nous avons produit le matériau 2D – le nitrure de bore hexagonal (h-BN) sur du papier d’aluminium cuivré – et l’avons transféré sur la micro-puce en utilisant un processus humide à basse température, puis nous avons formé des électrodes par-dessus par évaporation sous vide et photolithographie conventionnelle, des processus que nous possédons en interne« , ajoute Mario Lanza. « De cette manière, nous avons produit une matrice de barres transversales de 5×5 cellules composée d’un transistor/une cellule de memristor. »

Les propriétés exotiques du h-BN 2D, ici d’une épaisseur de seulement 18 atomes ou 6 nanomètres, en font un « memristor » idéal, un composant résistif dont la résistance peut être réglée par la tension appliquée. Dans cet arrangement 5×5, chaque pad de memristor à l’échelle microscopique est connecté à un seul transistor dédié.

Cela fournit le contrôle fin de la tension nécessaire pour faire fonctionner le memristor en tant que dispositif fonctionnel avec une haute performance et une fiabilité sur des milliers de cycles, dans ce cas en tant qu’élément de réseau neuronal à faible consommation.

Un avenir prometteur pour les matériaux 2D

« Avec cette réalisation phare, nous sommes maintenant en discussion avec les principales entreprises de semi-conducteurs pour continuer à travailler dans cette direction« , précise pour finir Mario Lanza. « Nous envisageons également d’installer notre propre système de traitement industriel à l’échelle du wafer pour les matériaux 2D à KAUST afin de faire avancer cette capacité. »

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un matériau 2D ?

Un matériau 2D est un matériau qui est composé d’une seule couche d’atomes. Il est donc extrêmement fin, souvent seulement quelques nanomètres d’épaisseur.

Qu’est-ce que le nitrure de bore hexagonal (h-BN) ?

Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est un matériau 2D qui possède des propriétés similaires à celles du graphène. Il est utilisé dans de nombreuses applications, y compris comme memristor dans des puces microélectroniques.

Qu’est-ce qu’un memristor ?

Un memristor est un composant résistif dont la résistance peut être réglée par la tension appliquée. Ils sont souvent utilisés dans des dispositifs électroniques avancés, comme les réseaux neuronaux à faible consommation.

Illustration image principale : Mario Lanza, professeur à l’université KAUST, et ses co-chercheurs ont réussi à concevoir la première puce électronique en 2D au monde en utilisant des matériaux synthétiques. 2023 KAUST ; Mario Lanza.