L'industrie des semi-conducteurs s'appuie sur les mauvais matériaux

La miniaturisation des composants électroniques a été une formidable réussite, qui a stimulé le progrès technologique pendant des décennies. Des travaux sont déjà en cours sur la prochaine révolution des puces électroniques : les matériaux 2D - des couches ultrafines constituées d'une seule ou de quelques couches atomiques - pourraient être parfaitement adaptés à des structures électroniques encore plus petites.

Toutefois, des chercheurs de l'Université technique de Vienne viennent de montrer que de nombreux matériaux 2D, autrefois considérés comme très prometteurs, ne conviennent en fait pas à cet usage. Il ne suffit pas d'étudier les propriétés du matériau lui-même, il faut aussi tenir compte des effets d'interface. Lorsque des matériaux 2D sont combinés à une couche isolante, un espace extrêmement fin se forme inévitablement entre eux, ce qui dégrade considérablement leurs propriétés électroniques. La bonne nouvelle, c'est que cette approche permet également aux chercheurs d'identifier les matériaux qui ne sont pas affectés par ce problème, ce qui pourrait éviter à l'industrie des semi-conducteurs d'investir des milliards dans des technologies qui sont fondamentalement limitées par les lois de la physique.

Ce n'est pas seulement le matériau, c'est aussi l'interface

"Pendant de nombreuses années, les chercheurs ont été fascinés, à juste titre, par les propriétés électroniques remarquables des nouveaux matériaux 2D tels que le graphène ou le disulfure de molybdène", explique le professeur Mahdi Pourfath, qui a mené les recherches avec le professeur Tibor Grasser à l'Institut de microélectronique de l'Université technique de Vienne. "Ce que l'on oublie souvent, cependant, c'est qu'un matériau 2D ne suffit pas à lui seul à fabriquer un dispositif électronique. Nous avons également besoin d'une couche isolante, généralement un oxyde. Et c'est là que les choses se compliquent du point de vue de la science des matériaux".

Le concept de base des transistors utilisés dans les puces électroniques est simple : la conductivité d'un semi-conducteur - qui peut également être un matériau 2D ultrafin - peut être modulée entre des états conducteurs et non conducteurs. Le choix de l'un ou l'autre de ces états est contrôlé par la grille, une électrode qui doit être séparée du matériau actif par une couche isolante.

Attention à l'écart !

Cette couche isolante doit être aussi fine que possible afin de permettre un contrôle précis des champs électriques dans le matériau 2D, ce qui permet d'obtenir des dispositifs extrêmement petits et compacts. Cependant, lorsque ces structures sont analysées à l'échelle atomique, un problème émerge, qui n'a jusqu'à présent reçu que peu d'attention.

"Dans de nombreuses combinaisons de matériaux 2D et de couches isolantes, la liaison entre eux est relativement faible", explique M. Grasser. "Elles ne sont maintenues ensemble que par les forces dites de van der Waals, qui n'exercent qu'une faible attraction entre le semi-conducteur et l'isolant. Par conséquent, les deux couches ne sont pas en contact étroit : il y a toujours un espace entre elles".

Cet espace est minuscule - environ 0,14 nanomètre, plus fin qu'un seul atome de soufre - mais il a un impact majeur sur les performances électroniques. À titre de comparaison, un virus SARS-CoV-2 est environ 700 fois plus grand. "Cet espace affaiblit le couplage capacitif entre les couches. Quelles que soient les propriétés intrinsèques des matériaux, l'espace peut devenir le facteur limitant. Tant qu'il existe, il impose une limite fondamentale à la miniaturisation de ces dispositifs".

La solution : "Les matériaux à "fermeture éclair

"Si l'industrie des semi-conducteurs veut réussir avec les matériaux 2D, la couche active et la couche isolante doivent être conçues ensemble dès le départ", souligne Mahdi Pourfath. Il existe des solutions possibles : les "matériaux à fermeture éclair" combinent les deux aspects. Le semi-conducteur et l'isolant s'imbriquent l'un dans l'autre - ils ne sont pas simplement reliés par les forces de van der Waals, mais forment un lien plus fort qui élimine l'écart.

"Notre travail est une bonne nouvelle pour l'industrie des semi-conducteurs", déclare Tibor Grasser. "Nous pouvons prédire quels matériaux sont adaptés aux futures étapes de miniaturisation et lesquels ne le sont pas. Mais si l'on se concentre uniquement sur les matériaux 2D eux-mêmes, sans prendre en compte les inévitables couches isolantes dès le départ, on risque d'investir des milliards dans une approche qui ne peut tout simplement pas réussir pour des raisons physiques fondamentales."