Les ingénieurs du MIT développent des matériaux «parfaits» d’une épaisseur d’atome sur des plaquettes de silicium industrielles

Selon la loi de Moore, le nombre de transistors sur une puce électronique a doublé chaque année depuis les années 1960. Mais ce chemin devrait bientôt se stabiliser car le silicium – l’épine dorsale des transistors modernes – perd ses propriétés électriques une fois que les appareils constitués de ce matériau tombent en dessous d’une certaine taille.

Entrez dans les matériaux 2D – de minuscules feuilles 2D de cristaux parfaits aussi minces qu’un seul atome. À l’échelle du nanomètre, les matériaux 2D peuvent conduire les électrons beaucoup plus efficacement que le silicium. La recherche de matériaux pour transistors de nouvelle génération s’est donc concentrée sur les matériaux 2D comme successeurs potentiels du silicium.

Mais avant que l’industrie électronique puisse passer aux matériaux bidimensionnels, les scientifiques doivent d’abord trouver un moyen de concevoir le matériau sur des tranches de silicium standard de l’industrie tout en conservant sa forme cristalline parfaite. Les ingénieurs du MIT ont peut-être maintenant une solution.

L’équipe a développé une méthode qui pourrait permettre aux fabricants de puces de fabriquer des transistors toujours plus petits à partir de matériaux bidimensionnels en les développant sur des tranches existantes de silicium et d’autres matériaux. La nouvelle méthode est une forme de « croissance axiale monocristalline », que l’équipe a utilisée pour la première fois pour développer des matériaux 2D purs et sans défaut sur des plaquettes de silicium industrielles.

La conductivité électrique est meilleure que le silicone

En utilisant leur méthode, l’équipe a fabriqué un transistor fonctionnel simple à partir d’un type de matériau 2D appelé diodes chalcogènes à métal de transition, ou TMD, qui sont connues pour mieux conduire l’électricité que le silicium à l’échelle nanométrique.

« Nous attendons de notre technologie qu’elle permette le développement de dispositifs électroniques 2D à base de semi-conducteurs hautes performances », déclare Jihwan Kim, professeur adjoint de génie mécanique au MIT. « Nous avons ouvert un moyen de suivre la loi de Moore en utilisant des matériaux bidimensionnels. »

Kim et ses collègues détaillent leur méthode dans un dossier papier apparaissent aujourd’hui dans la nature. Les co-auteurs du MIT incluent Ki Seok Kim, Doyoon Lee, Celesta Chang, Seunghwan Seo, Hyunseok Kim, Jiho Shin, Sangho Lee, Jun Min Suh et Bo-In Park, ainsi que des collaborateurs de l’Université du Texas à Dallas, de l’Université de Californie à Riverside, Université de Washington à Saint-Louis et institutions à travers la Corée du Sud.

mélange de cristaux

Pour produire le matériau bidimensionnel, les chercheurs ont généralement utilisé un processus manuel dans lequel de minces cornflakes sont soigneusement épluchés d’un matériau en vrac, un peu comme éplucher les couches d’un oignon.

Mais la plupart des matériaux en vrac sont polycristallins, contenant plusieurs cristaux se développant dans des directions aléatoires. Lorsqu’un cristal en rencontre un autre, le « joint de grain » agit comme une barrière électrique. Tous les électrons traversant un cristal s’arrêtent brusquement lorsqu’ils rencontrent un cristal d’orientation différente, ce qui atténue la conductivité du matériau. Même après avoir épluché la plaquette bidimensionnelle, les chercheurs doivent alors rechercher dans la plaquette des régions « monocristallines » – un processus laborieux et long qui est difficile à appliquer au niveau industriel.

Récemment, des chercheurs ont trouvé d’autres moyens de fabriquer des matériaux bidimensionnels, en les faisant pousser sur des flocons de saphir, un matériau avec un motif hexagonal d’atomes qui encourage les matériaux bidimensionnels à s’agréger dans la même orientation monocristalline.

Matériaux 2D sur silicium

« Mais personne n’utilise le saphir pour la mémoire ou la logique », explique Kim. « Toute l’infrastructure est basée sur le silicium. Pour traiter les semi-conducteurs, vous devez utiliser des tranches de silicium. »

Cependant, les tranches de silicium manquent d’un échafaudage de support en saphir hexagonal. Lorsque les chercheurs tentent de faire croître des matériaux 2D sur du silicium, le résultat est un fouillis aléatoire de cristaux qui fusionnent de manière aléatoire, formant de nombreux joints de grains qui entravent la conduction.

« Il est considéré comme presque impossible de faire croître des matériaux monocristallins 2D sur du silicium », déclare Kim. « Maintenant, nous montrons que vous pouvez. Et notre astuce consiste à empêcher la formation de joints de grains. »

poches de graines

La « croissance défocalisée monocristalline » de l’équipe ne nécessite pas d’éplucher et de sonder des flocons d’un matériau bidimensionnel. Au lieu de cela, les chercheurs ont utilisé des méthodes traditionnelles de dépôt en phase vapeur pour pomper des atomes à travers une tranche de silicium. Les atomes finissent par se déposer sur la plaquette et se nucléent, se développant dans des orientations cristallines bidimensionnelles. Laissé seul, chaque « noyau », ou graine de cristal, se développerait dans des directions aléatoires à travers la tranche de silicium. Mais Kim et ses collègues ont trouvé un moyen d’aligner chaque cristal en croissance pour créer des régions monocristallines sur toute la tranche.

Pour ce faire, ils ont d’abord recouvert une plaquette de silicium d’un « masque » – une couche de dioxyde de silicium qu’ils ont gravée dans de minuscules poches, chacune conçue pour piéger un germe de cristal. À travers la plaquette masquée, ils ont ensuite diffusé un flux gazeux d’atomes qui se sont déposés dans chaque poche pour former un matériau bidimensionnel – dans ce cas, TMD. Les poches du masque entouraient les atomes et les incitaient à se rassembler sur la tranche de silicium dans la même orientation que le monocristal.

Fabriquer un transistor TMD est simple

« C’est un résultat très choquant », déclare Kim. « Vous avez une croissance monocristalline partout, même s’il n’y a pas de méta-relation entre le matériau bidimensionnel et la plaquette de silicium. »

En utilisant 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. Après avoir recouvert une plaquette de silicone avec un masque à motifs, ils ont développé un type de matériau 2D pour remplir la moitié de chaque carré, puis ont développé un deuxième type de matériau 2D au-dessus de la première couche pour remplir le reste des carrés. Le résultat était une structure monocouche-bicouche extrêmement mince dans chaque carré. À l’avenir, dit Kim, plusieurs matériaux 2D peuvent être développés et assemblés de cette manière pour créer des films ultra-minces, flexibles et multifonctionnels.

Recherche avancée sur la défense américaine

« Jusqu’à présent, il n’y avait aucun moyen de transformer des matériaux 2D en une seule forme cristalline sur des tranches de silicium, et donc toute la communauté a du mal à obtenir des processeurs de nouvelle génération sans transférer de matériaux 2D », explique Kim. « Maintenant, nous avons complètement résolu ce problème, d’une manière qui rend les appareils plus petits que quelques nanomètres. Cela va changer le paradigme de la loi de Moore. »

Cette recherche a été soutenue en partie par la US Defense Advanced Research Projects Agency, Intel, le programme IARPA MicroE4AI et MicroLink Devices, Inc. , ROHM Corporation et Samsung.