Les ingénieurs développent des tranches complètes de semi-conducteurs 2D hautes performances qui s’intègrent aux puces de pointe

L’industrie des semi-conducteurs s’efforce aujourd’hui de répondre à un triple mandat : augmenter la puissance de calcul, réduire la taille des puces et gérer l’énergie dans des circuits densément peuplés.

Pour répondre à ces demandes, l’industrie doit regarder au-delà du silicium pour produire des dispositifs adaptés au rôle croissant de l’informatique.

Même s’il est peu probable qu’il abandonne ce matériau de pointe dans un avenir proche ou lointain, le secteur technologique aura besoin d’améliorations créatives des matériaux et des architectures des puces pour produire des dispositifs adaptés au rôle croissant de l’informatique.

L’un des plus gros défauts du silicium est qu’il ne peut être rendu que très fin, car ses propriétés matérielles sont fondamentalement limitées à trois dimensions. [3D]. Pour cette raison, le bidimensionnel [2D] Les semi-conducteurs, si fins qu’ils n’ont pratiquement aucune hauteur, sont devenus un objet d’intérêt pour les scientifiques, les ingénieurs et les fabricants de microélectronique.

Des composants de puce plus fins offriraient un meilleur contrôle et une plus grande précision sur le flux d’électricité dans un appareil, tout en réduisant la quantité d’énergie nécessaire pour l’alimenter. Un semi-conducteur 2D contribuerait également à maintenir au minimum la surface d’une puce, située dans un film mince au-dessus d’un dispositif de support en silicium.

Mais jusqu’à récemment, les tentatives visant à créer un tel matériau ont échoué.

Certains semi-conducteurs 2D se sont révélés performants par eux-mêmes, mais leur dépôt a nécessité des températures si élevées qu’elles ont détruit la puce de silicium sous-jacente. D’autres pourraient être déposés à des températures compatibles avec le silicium, mais leurs propriétés électroniques (consommation d’énergie, vitesse, précision) faisaient défaut. Certains répondent aux attentes en termes de température et de performances, mais n’ont pas pu atteindre la pureté requise aux tailles standard de l’industrie.

Aujourd’hui, des chercheurs de l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université de Pennsylvanie ont transformé un semi-conducteur 2D hautes performances en une plaquette grandeur nature à l’échelle industrielle. De plus, le matériau semi-conducteur, le séléniure d’indium (InSe), peut être déposé à des températures suffisamment basses pour s’intégrer à une puce de silicium.

Deep Jariwala, professeur agrégé et chercheur émérite Peter et Susanne Armstrong au Département de génie électrique et des systèmes (ESE), et Seunguk Song, boursier postdoctoral en ESE, ont dirigé l’étude, publiée récemment dans Matière.

« La fabrication de semi-conducteurs est un processus de fabrication à l’échelle industrielle », explique Jariwala. « Vous ne disposerez pas d’un matériau viable à moins de pouvoir le produire sur des tranches à l’échelle industrielle. Plus vous pouvez fabriquer de puces par lot, plus le prix est bas. Mais le matériau doit également être pur pour garantir ses performances. C’est pourquoi le silicium est si répandu : vous pouvez le fabriquer en grande quantité sans sacrifier sa pureté.

L’InSe s’est depuis longtemps révélé prometteur en tant que matériau 2D pour les puces informatiques avancées, car il transporte exceptionnellement bien les charges électriques. Mais produire des films d’InSe suffisamment grands s’est avéré délicat car la chimie de l’indium et du sélénium a tendance à se combiner dans des proportions moléculaires différentes, prenant des structures chimiques avec des ratios variables de chaque élément et compromettant ainsi sa pureté.

Le succès de l’équipe reposait sur l’application par Song d’une technique de croissance permettant de surmonter les bizarreries de la structure atomique de l’InSe.

« Pour les besoins d’une technologie informatique avancée, la structure chimique de l’InSe 2D doit être exactement à 50:50 entre les deux éléments. Le matériau résultant a besoin d’une structure chimique uniforme sur une grande surface pour fonctionner », explique Song.

L’équipe a atteint cette pureté révolutionnaire en utilisant une technique de croissance appelée « dépôt chimique en phase vapeur organométallique vertical » (MOCVD). Des recherches antérieures avaient tenté d’introduire l’indium et le sélénium en quantités égales et en même temps. Song a cependant démontré que cette méthode était à l’origine de structures chimiques indésirables dans le matériau, produisant des molécules avec des proportions variables de chaque élément. MOCVD, en revanche, fonctionne en envoyant l’indium dans un flux continu tout en introduisant le sélénium par impulsions.

« En pulsant, vous donnez à l’indium et au sélénium le temps de se combiner. Dans les instants entre les impulsions, vous privez l’environnement de sélénium, ce qui évite que le rapport ne devienne trop élevé. L’avantage de l’impulsion est la pause. C’est ainsi que nous obtenons un rapport uniforme 50:50 sur l’ensemble de notre plaquette pleine taille », explique Song.

En plus de la pureté chimique, l’équipe a également pu contrôler et aligner la direction des cristaux dans le matériau, améliorant encore davantage la qualité de leur semi-conducteur en fournissant un environnement transparent pour le transport des électrons.

« Les deux qualités matérielles les plus importantes dans un semi-conducteur sont la pureté chimique et l’ordre cristallin. La qualité industrielle la plus importante est l’évolutivité. Ce matériau vérifie chaque case », explique Jariwala.

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