Percée Stanford : transistors atomiquement minces 100 nm propulsent l'électronique flexible

Les circuits informatiques ultraminces et flexibles ont été un objectif d'ingénierie pendant des années, mais des obstacles techniques ont empêché le degré de miniaturisation nécessaire pour atteindre une haute performance. Maintenant, des chercheurs de l'Université de Stanford ont inventé une technique de fabrication qui produit des transistors flexibles, atomiquement minces, de moins de 100 nanomètres de longueur — plusieurs fois plus petits que ce qui était possible auparavant.

Avec cette avancée, disent les chercheurs, la « flextronique » se rapproche de la réalité. L'électronique flexible promet des circuits informatiques pliables, modelables, mais économes en énergie qui peuvent être portés sur, ou implantés dans, le corps humain pour effectuer une myriade de tâches liées à la santé. De plus, le futur « internet des objets », dans lequel presque chaque dispositif de nos vies est intégré et interconnecté, devrait bénéficier de la flextronique de manière similaire.

Parmi les matériaux appropriés pour l'électronique flexible, les semi-conducteurs bidimensionnels (2D) ont montré de la promesse en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques et électriques, même à l'échelle nanométrique, les rendant de meilleurs candidats que le silicium conventionnel ou les matériaux organiques.

Le défi d'ingénierie à ce jour a été que la formation de ces dispositifs presque impossiblement minces nécessite un processus bien trop intensif en chaleur pour les substrats plastiques flexibles. Ces matériaux fondraient et se décomposeraient simplement dans le processus de production.

La solution selon les chercheurs, est de le faire par étapes, en commençant par un substrat de base qui n'est rien d'autre que flexible. Ils ont formé un film atomiquement mince du semi-conducteur 2D disulfure de molybdène (MoS₂) surplombé de petites électrodes d'or nano-patternées au sommet d'une dalle solide de silicium revêtue de verre. Parce que cette étape est effectuée sur le substrat silicium conventionnel, les dimensions de transistor à l'échelle nanométrique peuvent être patternées avec les techniques de patternage avancées existantes, atteignant une résolution autrement impossible sur les substrats plastiques flexibles.

Cette technique de stratification, connue sous le nom de dépôt chimique en phase vapeur (CVD - Chemical Vapor Deposition), fait croître un film de MoS₂ une couche d'atomes à la fois. Le film résultant a juste trois atomes d'épaisseur mais nécessite des températures atteignant 850 °C (plus de 1500 °F) pour fonctionner. En comparaison, le substrat flexible — fait de polyimide, un plastique mince — aurait perdu sa forme quelque part autour de 360 °C (680 °F), et se serait complètement décomposé à des températures plus élevées.

En patternant et formant d'abord ces parties critiques sur du silicium rigide et en les laissant refroidir, les chercheurs de Stanford peuvent appliquer le matériau flexible sans dommage. Avec un simple bain dans l'eau déionisée, toute la pile de dispositif se décolle, maintenant entièrement transférée sur le polyimide flexible.

Après quelques étapes de fabrication supplémentaires, les résultats sont des transistors flexibles capables de plusieurs fois meilleure performance que tout ce qui a été produit auparavant avec des semi-conducteurs atomiquement minces. Les chercheurs ont dit que bien que des circuits entiers puissent être construits et ensuite transférés sur le matériau flexible, certaines complications avec les couches subséquentes rendent ces étapes additionnelles plus faciles après le transfert.

« À la fin, toute la structure fait juste 5 microns d'épaisseur, incluant le polyimide flexible », a dit le Professeur Eric Pop. « C'est environ dix fois plus fin qu'un cheveu humain. »

Alors que l'accomplissement technique dans la production de transistors à l'échelle nanométrique sur un matériau flexible est notable en soi, les chercheurs ont aussi décrit leurs dispositifs comme « haute performance », ce qui dans ce contexte signifie qu'ils sont capables de gérer de forts courants électriques tout en opérant à basse tension, comme requis pour une faible consommation d'énergie.

« Cette réduction d'échelle a plusieurs avantages », a dit le Dr Daus. « Vous pouvez mettre plus de transistors dans une empreinte donnée, bien sûr, mais vous pouvez aussi avoir des courants plus hauts à tension plus basse — haute vitesse avec moins de consommation d'énergie. »

Pendant ce temps, les contacts métalliques en or dissipent et étalent la chaleur générée par les transistors pendant l'utilisation — chaleur qui pourrait autrement mettre en péril le polyimide flexible.

Avec un prototype et une demande de brevet complets, Daus et Pop sont passés à leurs prochains défis d'affinage des dispositifs. Ils ont construit des transistors similaires en utilisant deux autres semi-conducteurs atomiquement minces (MoSe₂ et WSe₂) pour démontrer l'applicabilité large de la technique.

Pendant ce temps, Daus a dit qu'il étudie l'intégration de circuitry radio avec les dispositifs, ce qui permettra aux futures variations de communiquer sans fil avec le monde extérieur — un autre grand saut vers la viabilité pour la flextronique, particulièrement celles implantées dans le corps humain ou intégrées profondément dans d'autres dispositifs connectés à l'internet des objets.

« C'est plus qu'une technique de production prometteuse. Nous avons atteint flexibilité, densité, haute performance et basse consommation — tout en même temps », a dit Pop. « Ce travail fera espérément avancer la technologie sur plusieurs niveaux. »