Quand le plus dur des matériaux rencontre l’infiniment petit

La quête de l’innovation en microélectronique rencontre des défis techniques inédits. Le département de l’Énergie des États-Unis (DOE) a récemment octroyé au Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des fonds pour deux projets ambitieux, visant à explorer de nouvelles frontières dans la science des matériaux et la fabrication de semi-conducteurs. Ces initiatives promettent de redéfinir les standards technologiques actuels, offrant ainsi un aperçu des capacités futures des dispositifs électroniques.

Le DOE a attribué au PPPL deux projets de recherche très compétitifs dans le cadre des Microelectronics Science Research Centers. Les chercheurs du PPPL dirigeront ces projets collaboratifs, qui impliquent également des laboratoires nationaux, des partenaires académiques et industriels. Des chercheurs de l’Université de Princeton agissent en tant que directeurs adjoints pour ces projets, encadrés par les directeurs du PPPL.

Chaque subvention fournit 3 millions de dollars par an sur une période de quatre ans. Elles reconnaissent l’expertise du PPPL dans les processus de plasma, élément essentiel pour l’évolution future de la fabrication de semi-conducteurs et des matériaux avancés nécessaires à la compétitivité mondiale des États-Unis. Les subventions découlent du programme du DOE initié par la loi CHIPS et Science de 2022.

Le DOE a annoncé un financement total de 179 millions de dollars pour trois centres de recherche en microélectronique. Le PPPL participe à deux de ces centres : le Centre de Co-conception et d’Intégration Hétérogène en Microélectronique pour Environnements Extrêmes (CHIME) et le Centre d’Innovation en Lithographie Extrême et Matériaux (ELMIC).

Les centres sont constitués de réseaux de projets, au total 16, menés par 10 laboratoires nationaux. La sélection des projets s’est effectuée par un examen par les pairs dans le cadre de l’annonce du DOE intitulée «Projets de centres de recherche en microélectronique pour l’efficacité énergétique et les environnements extrêmes.»

La science à l’échelle atomique

Les deux projets du PPPL se concentrent sur des environnements extrêmes, grâce à leur accent sur la science du plasma. L’un des projets explorera des méthodes pour produire des microélectroniques plus petites et plus performantes en utilisant des matériaux 2D fabriqués avec des plasmas dans des chambres à haute température. L’autre projet étudiera les propriétés extrêmes du diamant pour la fabrication de capteurs et d’électroniques capables de supporter des conditions rigoureuses.

Emily Carter, professeur à l’Université de Princeton et directrice associée des sciences appliquées et de la durabilité au PPPL, a indiqué : « Ces projets fourniront une meilleure compréhension de la manière de fabriquer les matériaux nécessaires pour les semi-conducteurs de prochaine génération à l’échelle atomique. Les résultats de cette recherche ont le potentiel d’influencer profondément de nombreuses industries à travers le monde, reflétant le rôle central que jouent les microélectroniques dans notre vie quotidienne. »

Les chercheurs utilisent leur expertise en plasma pour développer de nouvelles technologies dans les domaines de la microélectronique, de la détection quantique et de la durabilité.

Matériaux 2D pour semi-conducteurs de nouvelle génération

Les semi-conducteurs forment la base de la mémoire, du stockage et de la puissance de traitement utilisés dans les appareils commerciaux, industriels et de qualité militaire. Cependant, les scientifiques et ingénieurs atteignent les limites de ce que l’on peut accomplir avec le silicium et les processus existants, poussant à la recherche de nouvelles solutions.

Yevgeny Raitses, physicien principal de recherche au PPPL, dirigera le projet visant à perfectionner les méthodes d’intégration des matériaux 2D dans des nanostructures 3D complexes. Ces matériaux sont indispensables pour les microélectroniques de nouvelle génération. « Le plasma est un composant critique de près de la moitié des processus de fabrication des semi-conducteurs », a affirmé le physicien. « Nous visons à créer une boîte à outils de traitement par plasma basée sur la science pour permettre l’intégration des matériaux 2D dans les processus de fabrication des dispositifs semi-conducteurs de prochaine génération. »

L’équipe de recherche comprendra également des chercheurs de l’Université de Princeton, de l’Université du Michigan, de l’Université de Houston, de l’Université de Californie à Los Angeles (UCLA) et du centre de recherche IBM Thomas J. Watson.

Des capteurs en diamant pour environnements extrêmes

Alastair Stacey, autre physicien principal de recherche au PPPL et professeur à l’Institut royal de technologie de Melbourne (RMIT), mènera un projet pour développer des capteurs extrêmement résistants à base de diamant. « Il existe un ensemble d’environnements vraiment extrêmes que la plupart des électroniques ne peuvent pas supporter et où le diamant pourrait exceller », a souligné Stacey, qui dirige également les matériaux et dispositifs quantiques et le Quantum Diamond Laboratory (QDL) au PPPL.

Les capteurs et électroniques utilisés dans l’espace, par exemple, doivent souvent résister à des bombardements de particules potentiellement problématiques, comme les ions à haute énergie. Ceux utilisés dans les réacteurs nucléaires ou de fusion et dans les propulseurs de fusée doivent tolérer des particules à haute énergie, des radiations et des chaleurs intenses sans se détériorer. « Le diamant est le matériau le plus dur trouvé dans la nature, avec une conductivité thermique extrêmement élevée, ce qui suggère qu’il pourrait être prometteur pour de tels environnements », a ajouté Emily Carter.

Alastair Stacey explorera également la fabrication de transistors en diamant et l’utilisation de ce matériau pour gérer des charges de puissance très élevées, posant des questions techniques complexes sur son utilisation en tant que matériau électronique.

Légende illustration : Cet échantillon éclairé contient des millions de diamants cultivés en laboratoire. L’un des projets du Centre de recherche scientifique en microélectronique dirigé par le PPPL étudiera les propriétés extrêmes du matériau diamant et la manière dont il peut être utilisé pour fabriquer des capteurs et des composants électroniques capables de résister à des environnements difficiles. Credit: Michael Livingston / PPPL Communications Department

Source : PPPL