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Lorsqu’ils sont confinés dans de minuscules poches pendant la croissance, les matériaux 2D fonctionnent bien avec les substrats en silicium. C’est une bonne nouvelle pour l’avenir de la mise à l’échelle des puces.
Une percée au MIT pourrait s’avérer une étape clé pour l’introduction de matériaux 2D dans la fabrication de puces commerciales. Des ingénieurs de l’institut de Boston, dans le Massachusetts, ont démontré une croissance à l’échelle d’une tranche de matériaux 2D sans défaut sur des substrats de silicium. Les transistors à effet de champ (FET) fabriqués à l’aide de cette monocouche comme matériau de canal fonctionnent de manière comparable aux meilleurs échantillons de ses équivalents fabriqués en laboratoire.
Dès que le premier matériau 2D, le graphène, a été découvert, les chercheurs ont émis l’hypothèse qu’il pourrait remplacer les canaux de silicium dans les transistors sur la base que les électrons le traversent à une vitesse fulgurante. Cependant, en raison de l’absence de bande interdite, nécessaire pour activer et désactiver la conductivité, la recherche s’est déplacée vers les dichalcogénures de métaux de transition. Dans ces TMD, une couche d’atomes métalliques (comme le molybdène ou le tungstène) est prise en sandwich entre des couches de chalcogènes (comme le soufre ou le sélénium). Ces matériaux 2D présentent naturellement une très grande mobilité des porteurs de charge, ainsi qu’une bande interdite.
Les FET à base de TMD promettent d’être relativement immunisés contre les effets dits de canal court, qui, entre autres, provoquent une fuite de courant à travers le canal même lorsque le transistor est (supposé être) éteint. En développant des transistors dans lesquels les grilles enveloppent les canaux sur trois ou même tous les côtés, les courants dans les transistors à base de silicium peuvent être contrôlés plus efficacement, permettant à la mise à l’échelle de se poursuivre pendant quelques années à venir. Mais à un moment donné, cette stratégie s’essoufflera. Imec a mis les TMD sur la feuille de route de mise à l’échelle en 2020.
L’intégration de matériaux 2D dans l’infrastructure standard de fabrication de puces s’est toutefois avérée un défi. Pendant des années, la méthode la plus courante pour obtenir une seule couche de TMD a été de la décoller soigneusement d’un matériau en vrac, qui ne s’écaille pas bien. Récemment, des couches TMD de haute qualité ont été développées sur des tranches de saphir. Ceux-ci peuvent peut-être être transférés sur des substrats de silicium, mais il serait plus avantageux de faire croître des TMD directement sur du silicium.
Malheureusement, le silicium et les TMD ne correspondent pas aussi bien que le saphir. Ce dernier a un motif hexagonal d’atomes qui encourage les matériaux 2D à s’assembler dans la même orientation monocristalline. Lorsque les chercheurs tentent de faire croître des matériaux 2D sur du silicium, le résultat est un patchwork aléatoire de cristaux qui fusionnent au hasard, formant de nombreux joints de grains qui entravent la conductivité.
Mélanger et assortir
L’équipe du MIT a trouvé un moyen d’aligner la croissance cristalline des TMD sur le silicium. En utilisant du dioxyde de silicium comme matériau de masque, les chercheurs ont dessiné une grille carrée sur la plaquette. Au fur et à mesure que les précurseurs gazeux traversaient la plaquette, les atomes se déposant sur le silicium nucléaient la croissance des cristaux à l’intérieur des minuscules poches de grille. Cela a rassemblé les atomes et les a encouragés à s’assembler sur la tranche de silicium dans la même orientation monocristalline.
“C’est un résultat choquant”, déclare Jeewah Kim, auteur principal de l’étude publié dans Nature. “Vous avez une croissance monocristalline partout, même s’il n’y a pas de relation épitaxiale entre le matériau 2D et la plaquette de silicium.”
Avec leur méthode de masquage, l’équipe a fabriqué un transistor TMD simple et a montré que ses performances électriques étaient aussi bonnes qu’un flocon pur du même matériau. Ils ont également appliqué la méthode pour concevoir un dispositif multicouche, dans lequel un deuxième type de TMD a été développé au-dessus du premier. De cette façon, les TMD peuvent être mélangés et assortis pour obtenir les caractéristiques souhaitées.
“Jusqu’à présent, il n’y avait aucun moyen de fabriquer des matériaux 2D sous une forme monocristalline sur des tranches de silicium, c’est pourquoi toute la communauté a du mal à réaliser des processeurs de nouvelle génération sans transférer de matériaux 2D”, déclare Kim. “Maintenant, nous avons complètement résolu ce problème, avec un moyen de fabriquer des appareils plus petits que quelques nanomètres.”