Entrez dans les matériaux 2D – des feuilles bidimensionnelles délicates de cristaux parfaits aussi minces qu’un seul atome. À l’échelle du nanomètre, les matériaux 2D peuvent conduire les électrons bien plus efficacement que le silicium. La recherche de matériaux de 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 2D, les scientifiques doivent d’abord trouver un moyen de concevoir les matériaux sur des tranches de silicium standard de l’industrie tout en préservant leur forme cristalline parfaite. Et 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 2D en les faisant croître sur des tranches existantes de silicium et d’autres matériaux. La nouvelle méthode est une forme de « croissance monocristalline non épitaxiale », que l’équipe a utilisée pour la première fois pour faire croître des matériaux 2D purs et sans défaut sur des tranches de silicium industrielles.

Avec leur méthode, l’équipe a fabriqué un transistor fonctionnel simple à partir d’un type de matériaux 2D appelés dichalcogénures de métaux de transition, ou TMD, qui sont connus pour mieux conduire l’électricité que le silicium à l’échelle nanométrique.

« Nous pensons que notre technologie pourrait permettre le développement d’appareils électroniques de nouvelle génération à base de semi-conducteurs 2D hautes performances », déclare Jeehwan Kim, professeur agrégé de génie mécanique au MIT. « Nous avons débloqué un moyen de rattraper la loi de Moore en utilisant des matériaux 2D. »

Kim et ses collègues détaillent leur méthode dans un article paru dans La nature. Les co-auteurs de l’étude au 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, l’Université de Californie à Riverside, l’Université de Washington à Saint Louis et des institutions à travers la Corée du Sud.

Un patchwork de cristal

Pour produire un matériau 2D, les chercheurs ont généralement utilisé un processus manuel par lequel un flocon mince comme un atome est soigneusement exfolié à partir d’un matériau en vrac, comme éplucher les couches d’un oignon.

Mais la plupart des matériaux en vrac sont polycristallins, contenant plusieurs cristaux qui se développent dans des orientations aléatoires. Là où un cristal en rencontre un autre, le « joint de grain » agit comme une barrière électrique. Tous les électrons traversant un cristal s’arrêtent soudainement lorsqu’ils rencontrent un cristal d’orientation différente, amortissant la conductivité d’un matériau. Même après avoir exfolié un flocon 2D, les chercheurs doivent ensuite rechercher dans le flocon des régions « monocristallines » – un processus fastidieux et long qui est difficile à appliquer à l’échelle industrielle.

Récemment, les chercheurs ont trouvé d’autres moyens de fabriquer des matériaux 2D, en les faisant croître sur des tranches de saphir – un matériau avec un motif hexagonal d’atomes qui encourage les matériaux 2D à s’assembler dans la même orientation monocristalline.

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

Cependant, les tranches de silicium manquent de l’échafaudage de support hexagonal du saphir. 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.

« Il est considéré comme presque impossible de faire croître des matériaux 2D monocristallins 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 nouvelle « croissance monocristalline non épitaxiale » de l’équipe ne nécessite pas de pelage ni de recherche d’éclats de matériau 2D. Au lieu de cela, les chercheurs utilisent des méthodes conventionnelles 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. S’il était laissé seul, chaque « noyau », ou graine d’un cristal, se développerait dans des orientations 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 » – un revêtement de dioxyde de silicium qu’ils ont modelé dans de minuscules poches, chacune conçue pour piéger un germe de cristal. À travers la plaquette masquée, ils ont ensuite fait circuler un gaz d’atomes qui s’est déposé dans chaque poche pour former un matériau 2D – dans ce cas, un TMD. Les poches du masque regroupaient les atomes et les encourageaient à s’assembler sur la plaquette de silicium dans la même orientation monocristalline.

« C’est un résultat très choquant », déclare Kim. « 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. Après avoir recouvert une plaquette de silicium avec un masque à motifs, ils ont fait pousser un type de matériau 2D pour remplir la moitié de chaque carré, puis ont fait pousser un deuxième type de matériau 2D sur la première couche pour remplir le reste des carrés. Le résultat était une structure bicouche monocristalline ultra-mince dans chaque carré. Kim dit qu’à l’avenir, plusieurs matériaux 2D pourraient être développés et empilés de cette manière pour créer des films ultra-fins, flexibles et multifonctionnels.

« Jusqu’à présent, il n’y avait aucun moyen de fabriquer des matériaux 2D sous forme monocristalline sur des tranches de silicium, c’est pourquoi toute la communauté a presque renoncé à rechercher des matériaux 2D pour les processeurs de nouvelle génération », a déclaré Kim. « Maintenant, nous avons complètement résolu ce problème, avec un moyen de fabriquer des appareils plus petits que quelques nanomètres. Cela va changer le paradigme de la loi de Moore. »

Cette recherche a été soutenue en partie par DARPA, Intel, le programme IARPA MicroE4AI, MicroLink Devices, Inc., ROHM Co. et Samsung.