Un transistor fabriqué à partir de deux matériaux atomiquement minces établit un record de taille

Les caractéristiques de plus en plus réduites des transistors gravés dans le silicium ont toujours nécessité de repousser les limites de la technologie de fabrication. La découverte de matériaux atomiquement minces comme le graphène et les nanotubes de carbone a toutefois soulevé la perspective de remplacer nos besoins de fabrication par les propriétés naturelles de ces matériaux. Il n’est pas nécessaire de graver une caractéristique de 1 nanomètre dans le silicium si vous pouviez simplement utiliser un nanotube de carbone d’une largeur de 1 nanomètre.

Et il y a eu des succès notables, comme une grille de 1 nanomètre constituée d’un seul nanotube de carbone. Mais le travail implique souvent un processus difficile consistant à placer les matériaux atomiquement minces au bon endroit pour créer un dispositif fonctionnel. Et le reste du matériel est généralement constitué de matériaux plus volumineux empruntés à la conception de transistors plus traditionnels.

Un nouvel article publié cette semaine, cependant, décrit une conception record qui a la plus petite longueur de grille de transistor jamais signalée. Le record a été établi par le bord d’une feuille de graphène, ce qui signifie que la porte n’est qu’un seul atome de carbone à travers. Et, en utilisant un deuxième matériau atomiquement mince pour un composant clé (plus un agencement intelligent des pièces), l’équipe derrière la conception s’est assurée que l’ensemble du transistor est facile à fabriquer et relativement compact.

Devenir atomique

Une conception de transistor standard implique deux électrodes conductrices – la source et le drain – séparées par un morceau de semi-conducteur. L’état du semi-conducteur, c’est-à-dire s’il est conducteur ou isolant, est défini par une troisième électrode conductrice appelée grille. Bien qu’il existe un certain nombre de mesures pour la taille du transistor, la longueur de grille est l’une des plus importantes.

Le silicium est probablement le semi-conducteur le plus célèbre, mais il existe également des semi-conducteurs atomiquement minces. Le disulfure de molybdène est le plus important parmi ces matériaux. Bien qu’il ne soit pas aussi mince qu’un seul atome en raison de la disposition de ses liaisons chimiques, le disulfure de molybdène est toujours incroyablement compact. Étant donné qu’il possède des propriétés utiles, qu’il est bien caractérisé et qu’il est facile à utiliser, les chercheurs ont utilisé le bisulfure de molybdène comme matériau semi-conducteur. Les électrodes de source et de drain étaient simplement des bandes de métal en contact avec le disulfure de molybdène.

Cela a quitté la porte. Dans le précédent dispositif à 1 nanomètre, la grille était constituée d’un seul nanotube de carbone. Devenir plus petit que cela est difficile mais pas impossible. Les feuilles de graphène sont comme des nanotubes de carbone aplatis : une feuille d’atomes de carbone liés entre eux. Alors que la longueur et la largeur de la feuille vont être beaucoup plus grandes qu’un nanotube, l’épaisseur ne sera que d’un seul atome de carbone. Donc, si vous pouviez utiliser le bord d’une feuille de graphène comme porte, vous pourriez obtenir une longueur de porte extrêmement petite.

Cependant, tous ces matériaux ont déjà été utilisés dans une myriade de dispositifs de test. Le secret de la nouvelle œuvre est de savoir comment ils sont arrangés. Une partie de cet arrangement est nécessaire simplement pour obtenir le bord d’une feuille de graphène dans la bonne orientation pour agir comme une porte. Mais un avantage important de la conception est qu’elle est raisonnablement facile à fabriquer, en ce sens qu’elle ne nécessite pas de positionnement extrêmement précis de l’un ou l’autre des matériaux atomiquement minces.

Géométrie intelligente

Pour fabriquer l’appareil, les chercheurs ont commencé avec des couches de silicium et de dioxyde de silicium. Le silicium était purement structurel – il n’y a pas de silicium dans le transistor lui-même. Une feuille de graphène a été superposée sur le silicium et le dioxyde de silicium pour créer le matériau de grille. En plus de cela, les chercheurs ont placé une couche d’aluminium. Alors que l’aluminium est un conducteur, les chercheurs l’ont laissé reposer dans l’air pendant quelques jours, au cours desquels la surface s’est oxydée en oxyde d’aluminium. Ainsi, la surface inférieure de la feuille de graphène était sur du dioxyde de silicium et la partie supérieure était recouverte d’oxyde d’aluminium, qui sont tous deux des isolants. Cela a isolé tout sauf le bord du graphène du reste du matériel du transistor.

Pour exposer le bord du graphène de manière utile, les chercheurs ont simplement gravé le long du bord de l’aluminium, jusque dans le dioxyde de silicium sous-jacent. Cela coupe à travers la feuille de graphène, exposant un bord linéaire qui peut être utilisé comme porte. À ce stade, l’ensemble du dispositif est recouvert d’une fine couche d’oxyde d’hafnium, un isolant qui a fourni un peu d’espace entre la grille et le reste du matériel.

Ensuite, un flocon de semi-conducteur au bisulfure de molybdène a été appliqué sur toute la structure (maintenant tridimensionnelle). En conséquence, le bord du graphène (maintenant intégré dans la paroi de la partie verticale de l’appareil) était à proximité immédiate du disulfure de molybdène. Le bord du graphène pourrait désormais agir comme une porte pour contrôler la conductivité du semi-conducteur. Et la longueur de la grille était l’épaisseur de la feuille de graphène – un seul atome de carbone, ou 0,34 nanomètres.

À partir de là, l’équipe a simplement placé des électrodes de source et de drain de chaque côté de la grille. L’arrangement en trois dimensions a rendu cela facile. La source a été placée en haut et le drain a été placé en bas, avec le mur vertical entre les deux. (Les chercheurs appellent leur appareil un transistor à paroi latérale, puisque la grille est située au milieu de cette paroi.)