Les matériaux atomiquement minces comme le graphène sont des molécules uniques dans lesquelles toutes les liaisons chimiques sont orientées de sorte que la molécule résultante forme une feuille. Ceux-ci ont souvent des propriétés électroniques distinctives qui peuvent potentiellement permettre la production d’électronique avec des caractéristiques incroyablement petites de seulement quelques atomes d’épaisseur. Et il y a eu un certain nombre d’exemples de matériel fonctionnel construit à partir de ces matériaux bidimensionnels.
Mais presque tous les exemples jusqu’à présent ont utilisé une construction sur mesure, impliquant parfois des chercheurs manipulant à la main des flocons individuels de matériau. Nous n’en sommes donc pas au point où nous pouvons fabriquer en masse des composants électroniques compliqués à partir de ces matériaux. Mais un article publié aujourd’hui décrit une méthode de production à l’échelle d’une tranche de transistors à base de matériaux bidimensionnels. Et les transistors résultants fonctionnent de manière plus cohérente que ceux fabriqués avec des approches de fabrication plus traditionnelles.
Meilleure fabrication
La plupart des efforts déployés pour faciliter la production d’électronique basée sur des matériaux atomiquement minces ont impliqué l’intégration de ces matériaux dans les techniques traditionnelles de fabrication de semi-conducteurs. Cela a du sens car ces techniques nous permettent d’effectuer des manipulations incroyablement fines de matériaux à des volumes élevés. En règle générale, cela signifie qu’une grande partie du câblage métallique nécessaire à l’électronique est mise en place par la fabrication traditionnelle. Le matériau 2D est ensuite superposé au métal et un traitement supplémentaire est effectué pour former des transistors fonctionnels.
Souvent, ce « traitement supplémentaire » implique la superposition de métal sur le matériau 2D. Cette méthode, selon les chercheurs derrière le travail, n’est probablement pas la meilleure façon de faire les choses. Le dépôt de métal peut endommager le matériau 2D, et certains atomes métalliques individuels peuvent potentiellement se diffuser dans le matériau 2D, créant de petits courts-circuits dans l’élément plus grand. Tout cela dégrade les performances de tout circuit construit à l’aide de la technique.
L’équipe a donc trouvé un moyen de former séparément toutes les parties individuelles du circuit et de les rassembler dans des conditions douces. La partie la plus simple consistait à former les grilles des transistors, qui étaient simplement modelées sur un substrat solide puis recouvertes d’oxyde d’aluminium.
Séparément, l’équipe a formé une feuille uniforme d’un matériau atomiquement mince (disulfure de molybdène) au-dessus d’une surface de dioxyde de silicium par dépôt chimique en phase vapeur. Cette feuille a ensuite été retirée et transférée au-dessus de l’oxyde d’aluminium, ce qui a donné une couche de semi-conducteur atomiquement mince au-dessus de la grille. Pour former un transistor, il manquait juste aux chercheurs des électrodes de source et de drain.
Ceux-ci ont été fabriqués complètement séparément en formant tout le câblage sur une surface solide. Le câblage a ensuite été intégré dans un polymère, et le tout a été décollé de la surface, créant une feuille de polymère avec les fils intégrés sur sa surface inférieure. À lui seul, ce polymère est suffisamment flexible pour pouvoir s’étirer ou se déformer, et ainsi le câblage ne s’alignerait pas avec les grilles, comme cela est nécessaire pour former des circuits fonctionnels. Pour limiter ces distorsions, les chercheurs ont lié le polymère à une feuille de quartz avant de l’emboutir sur le wafer recouvert d’électrodes de grille. Cela a déposé le câblage directement sur le disulfure de molybdène, complétant la formation de transistors fonctionnels.
Une fois que tout était en place, le polymère pouvait être retiré dans des conditions douces et tout excès de matériau pouvait être découpé par gravure au plasma. Le résultat était une collection de transistors où la connexion du semi-conducteur aux électrodes de source et de drain était simplement formée par les matériaux physiquement placés les uns à côté des autres. Cela limite la possibilité d’endommager le matériau semi-conducteur atomiquement mince.
Meilleure performance
Bien que tout le traitement nécessaire ici soit beaucoup plus doux que la fabrication typique de semi-conducteurs, cette fabrication simplifie les choses en formant toutes les fonctionnalités là où elles sont finalement nécessaires. Pour que cette approche fonctionne, les électrodes de source et de drain sont fabriquées séparément de la grille et doivent ensuite être mises en place. Pour les circuits avec de petites fonctionnalités, cela nécessite un alignement incroyablement précis.
Ça… n’a pas toujours marché. Il y a eu un certain nombre de cas dans lesquels toute la collection d’électrodes s’est retrouvée désalignée, généralement à cause d’une légère torsion lors de leur mise en place. C’est quelque chose qui peut potentiellement être amélioré, mais cela restera probablement un défi.
La bonne nouvelle est que lorsque cela a fonctionné, cela a très bien fonctionné; les appareils ont fonctionné de manière beaucoup plus cohérente que ceux produits à l’aide de techniques plus typiques. Et selon la plupart des mesures, ils ont obtenu des résultats nettement meilleurs. La tension dans les états activé et désactivé différait de neuf ordres de grandeur. La fuite à l’état bloqué était également très faible.
Plus généralement, l’approche a fonctionné. Les chercheurs ont pu construire des circuits fonctionnels sur l’intégralité d’une plaquette de 2 pouces, y compris des demi-additionneurs, un composant essentiel du matériel de calcul. Ainsi, bien que ce soit clairement encore dans la phase de démonstration, la démonstration concerne le matériel qui pourrait potentiellement être utilisé.
Cela ne signifie pas que le disulfure de molybdène est sur la voie rapide pour remplacer le silicium. Des décennies d’expérience ont permis de faire des choses incroyablement sophistiquées avec des circuits en silicium. Mais cela signifie que les gens commencent à développer des boîtes à outils qui pourraient un jour faire des matériaux 2D un concurrent viable du silicium.
Nanotechnologie de la nature, 2023. DOI : 10.1038/s41565-023-01342-1