Une méthode sans transfert pour faire croître des semi-conducteurs ultraminces sur l’électronique

Silvia Cernea Clark

Une technique révolutionnaire pourrait accélérer le développement de l’électronique et de l’informatique de la prochaine génération en éliminant une étape de fabrication fragile

Une équipe de spécialistes des matériaux de l’université de Rice a mis au point une nouvelle méthode pour faire croître des semi-conducteurs ultraminces directement sur des composants électroniques. Cette méthode, décrite dans une étude, pourrait contribuer à rationaliser l’intégration de matériaux bidimensionnels dans l’électronique de la prochaine génération, l’informatique neuromorphique et d’autres technologies nécessitant des semi-conducteurs ultraminces à haute vitesse.

Les chercheurs ont utilisé le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour faire croître du diséléniure de tungstène, un semi-conducteur 2D, directement sur des électrodes en or structurées. Ils ont ensuite démontré l’efficacité de cette approche en construisant un transistor fonctionnel, preuve de concept. Contrairement aux techniques conventionnelles qui nécessitent le transfert de films 2D fragiles d’une surface à une autre, la méthode de l’équipe de Rice élimine complètement le processus de transfert.

« Il s’agit de la première démonstration d’une méthode sans transfert pour faire croître des dispositifs 2D », a déclaré Sathvik Ajay Iyengar, doctorant à Rice et premier auteur de l’étude avec Lucas Sassi, ancien doctorant de Rice. « C’est un pas important vers la réduction des températures de traitement et la mise en place d’un processus d’intégration de semi-conducteurs 2D sans transfert. »

La découverte a commencé par une observation inattendue lors d’une expérience de routine.

« Nous avons reçu un échantillon d’un collaborateur sur lequel étaient imprimés des marqueurs en or », a ajouté M. Sassi. « Au cours de la croissance par CVD, le matériau 2D s’est formé de manière inattendue principalement sur la surface en or. Ce résultat surprenant a donné naissance à l’idée qu’en imprimant délibérément des contacts métalliques, nous pourrions être en mesure de guider la croissance des semi-conducteurs 2D directement sur ceux-ci. »

Les semi-conducteurs sont à la base de l’informatique moderne, et alors que l’industrie se lance dans une course vers des composants plus petits, plus rapides et plus efficaces, l’intégration de matériaux plus performants et d’une épaisseur atomique, comme le diséléniure de tungstène, devient une priorité croissante.

La fabrication conventionnelle de dispositifs nécessite de faire croître le semi-conducteur 2D séparément, généralement à des températures très élevées, puis de le transférer en plusieurs étapes. Si les matériaux 2D promettent de surpasser le silicium sur certains plans, il s’est avéré difficile de transformer leur potentiel en laboratoire en applications industrielles pertinentes, en grande partie en raison de la fragilité des matériaux pendant le processus de transfert.

« Le processus de transfert peut dégrader le matériau et nuire à ses performances », explique M. Iyengar, qui fait partie du groupe de recherche de Pulickel Ajayan à Rice.

L’équipe de Rice a optimisé les matériaux précurseurs afin d’abaisser la température de synthèse du semi-conducteur 2D et a démontré qu’il se développe de manière contrôlée et directionnelle.

« Comprendre comment ces semi-conducteurs 2D interagissent avec les métaux, en particulier lorsqu’ils sont développés in situ, est vraiment précieux pour la fabrication et l’évolutivité futures des dispositifs », a commenté Ajayan, professeur d’ingénierie Benjamin M. et Mary Greenwood Anderson à Rice et professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie.

À l’aide d’outils d’imagerie et d’analyse chimique avancés, l’équipe a confirmé que la méthode préserve l’intégrité des contacts métalliques, qui sont vulnérables aux dommages à haute température.

« Une grande partie de notre travail dans le cadre de ce projet a consisté à prouver que le système de matériaux est toujours intact », a observé M. Iyengar. « À Rice, nous sommes bien équipés pour étudier de manière très précise la chimie qui intervient dans ce processus. Observer ce qui se passe à l’interface entre ces matériaux a été une grande source de motivation pour la recherche. »

Le succès de la méthode réside dans la forte interaction entre le métal et le matériau 2D pendant la croissance, a noté M. Sassi.

« L’absence de méthodes fiables et sans transfert pour la croissance des semi-conducteurs 2D a constitué un obstacle majeur à leur intégration dans l’électronique pratique », a-t-il déclaré. « Ces travaux pourraient ouvrir de nouvelles perspectives pour l’utilisation de matériaux d’épaisseur atomique dans les transistors, les cellules solaires et d’autres technologies électroniques de nouvelle génération. »

Outre les défis liés au processus de fabrication, un autre obstacle majeur dans la conception des semi-conducteurs 2D est la qualité des contacts électriques, qui implique non seulement de faibles barrières énergétiques, mais aussi des performances stables et durables, une évolutivité et une compatibilité avec une large gamme de matériaux.

« Une approche de croissance in situ nous permet de combiner plusieurs stratégies pour améliorer simultanément la qualité des contacts », a indiqué Anand Puthirath, coauteur de l’étude et ancien chercheur à Rice.

Le projet a été lancé à la suite d’une question soulevée lors d’une initiative de recherche américano-indienne : serait-il possible de développer un processus de fabrication de semi-conducteurs pour les matériaux 2D avec un budget limité ?

« Tout a commencé grâce à notre collaboration avec des partenaires en Inde », explique M. Iyengar, membre de la Société japonaise pour la promotion de la science et premier lauréat du Quad Fellowship, un programme lancé par les gouvernements américain, indien, australien et japonais pour aider les scientifiques en début de carrière à explorer les liens entre science, politique et diplomatie sur la scène internationale. « Cela a montré comment les partenariats internationaux peuvent aider à identifier les contraintes pratiques et inspirer de nouvelles approches qui fonctionnent dans tous les environnements de recherche mondiaux. »

Avec deux de ses pairs du programme Quad Fellowship, M. Iyengar a co-rédigé un article plaidant en faveur de « la nécessité d’une expertise à la croisée des STEM et de la diplomatie ».

« Un engagement accru entre les scientifiques et les décideurs politiques est essentiel pour garantir que les progrès scientifiques se traduisent par des politiques concrètes qui profitent à l’ensemble de la société », a conclu M. Iyengar. « La science des matériaux est l’un des domaines de recherche où la collaboration internationale pourrait s’avérer inestimable, en particulier compte tenu des contraintes telles que l’approvisionnement limité en minéraux essentiels et les perturbations de la chaîne d’approvisionnement. »

Article : « Mechanistic Understanding and Demonstration of Direct Chemical Vapor Deposition of Transition Metal Dichalcogenides Across Metal Contacts » | ACS Applied Electronic Materials | DOI: 10.1021/acsaelm.5c00828

Authors: Lucas Sassi, Sathvik Ajay Iyengar, Anand Puthirath, Yuefei Huang, Xingfu Li, Tanguy Terlier, Ali Mojibpour, Ana Paula de Carvalho Teixeira, Palash Bharadwaj, Chandra Sekhar Tiwary, Robert Vajtai, Saikat Talapatra, Boris Yakobson and Pulickel Ajayan.

Source : Rice U.