Nouvelle technique permet transistors 2D pour puces ultra-compactes

Les matériaux d'épaisseur atomique sont une alternative prometteuse aux transistors à base de silicium ; les chercheurs peuvent maintenant les connecter plus efficacement aux autres éléments de puce.

La loi de Moore, la fameuse prédiction selon laquelle le nombre de transistors qu'on peut intégrer sur une puce double tous les deux ans, se heurte à des limites physiques fondamentales. Ces limites pourraient arrêter des décennies de progrès — à moins de trouver de nouvelles approches.

Une nouvelle direction explorée est l'utilisation de matériaux d'épaisseur atomique au lieu du silicium comme base pour de nouveaux transistors, mais connecter ces matériaux « 2D » à d'autres composants électroniques conventionnels s'est avéré difficile.

Maintenant, des chercheurs du MIT, de l'Université de Californie à Berkeley, de Taiwan Semiconductor Manufacturing Company et d'ailleurs ont trouvé une nouvelle façon de réaliser ces connexions électriques, ce qui pourrait libérer le potentiel des matériaux 2D et poursuivre la miniaturisation des composants — peut-être assez pour prolonger la loi de Moore, du moins pour un avenir proche, selon les chercheurs.

« Nous avons résolu l'un des plus gros problèmes de la miniaturisation des dispositifs semi-conducteurs, la résistance de contact entre une électrode métallique et un matériau semi-conducteur monocouche », a déclaré le Dr Cong Su, maintenant à UC Berkeley. La solution s'est avérée simple : l'utilisation d'un semi-métal, l'élément bismuth, à la place des métaux ordinaires pour se connecter au matériau monocouche.

De tels matériaux monocouches ultraminces, dans ce cas le disulfure de molybdène, sont considérés comme un prétendant majeur pour contourner les limites de miniaturisation rencontrées actuellement par la technologie des transistors à base de silicium. Mais selon Su, créer une interface efficace et hautement conductrice entre de tels matériaux et des conducteurs métalliques afin de les connecter entre eux et à d'autres dispositifs et sources d'alimentation, était un défi freinant la progression vers de telles solutions.

L'interface entre métaux et matériaux semi-conducteurs (y compris ces semi-conducteurs monocouches) produit un phénomène appelé état de gap induit par le métal, qui mène à la formation d'une barrière de Schottky, un phénomène qui inhibe le flux de porteurs de charge. L'utilisation d'un semi-métal, dont les propriétés électroniques se situent entre celles des métaux et des semi-conducteurs, combinée à un alignement énergétique approprié entre les deux matériaux, s'est avérée éliminer le problème.

Le Dr Yuxuan Lin a expliqué que le rythme rapide de miniaturisation des transistors composant les processeurs et puces mémoire s'était déjà arrêté vers 2000, jusqu'à ce qu'un nouveau développement permettant une architecture tridimensionnelle des dispositifs semi-conducteurs sur une puce débloque la situation en 2007 et que le progrès rapide reprenne. Mais maintenant, dit-il, « nous pensons être au bord d'un autre goulot d'étranglement ».

Les matériaux dits bidimensionnels, feuilles minces d'un ou quelques atomes d'épaisseur, répondent à toutes les exigences pour permettre un nouveau bond en miniaturisation des transistors, réduisant potentiellement de plusieurs fois un paramètre clé appelé longueur de canal — de 5 à 10 nanomètres dans les puces de pointe actuelles, à une échelle sub-nanométrique. Une variété de tels matériaux sont largement explorés, incluant une famille de composés connus sous le nom de dichalcogénures de métaux de transition. Le disulfure de molybdène utilisé dans les nouvelles expériences appartient à cette famille. Le problème d'obtenir un contact métallique à faible résistance avec de tels matériaux a aussi freiné la recherche fondamentale sur la physique de ces nouveaux matériaux monocouches. Comme les méthodes de connexion existantes ont une résistance si élevée, les minuscules signaux nécessaires pour surveiller le comportement des électrons dans le matériau sont trop faibles pour passer.

Comprendre comment mettre à l'échelle et intégrer de tels systèmes à un niveau commercial pourrait prendre du temps et nécessiter une ingénierie supplémentaire. Mais pour de telles applications physiques, les chercheurs disent que l'impact des nouvelles découvertes pourrait se faire sentir rapidement.

Pendant ce temps, les chercheurs continuent d'explorer plus loin, continuant à réduire la taille de leurs dispositifs et cherchant d'autres associations de matériaux qui pourraient permettre un meilleur contact électrique avec l'autre type de porteurs de charge — les trous. Ils ont résolu le problème pour le transistor dit de type N, mais s'ils trouvent une combinaison de matériau de canal et de contact électrique pour permettre un transistor monocouche de type P efficace également, cela ouvrirait de nombreuses nouvelles possibilités pour les puces de prochaine génération, disent-ils.