1er semi-conducteur en graphène : le futur de l’électronique est arrivé

Dans une réalisation inédite, des chercheurs de l’Institut de Technologie de Géorgie (USA) ont mis au point le 1er semi-conducteur en graphène réellement fonctionnel, ouvrant ainsi la voie à une nouvelle ère dans le domaine de l’électronique.

« Nous disposons désormais d’un semi-conducteur en graphène extrêmement robuste, dont la mobilité est dix fois supérieure à celle du silicium, et qui possède également des propriétés uniques non disponibles dans le silicium« , a déclaré Walter de Heer, professeur de physique à Georgia Tech. « Mais l’histoire de notre travail au cours des dix dernières années a été la suivante : Pouvons-nous faire en sorte que ce matériau soit suffisamment bon pour fonctionner ?« 

Le défi du silicium et la solution en graphène

Alors que le silicium, matériau à partir duquel sont fabriqués presque tous les appareils électroniques modernes, atteint ses limites face à l’accélération constante de l’informatique et à la miniaturisation des appareils électroniques, cette découverte offre une alternative prometteuse.

Walter de Heer, professeur de physique à Georgia Tech, a dirigé une équipe de chercheurs basée à Atlanta, en Géorgie, et à Tianjin, en Chine, pour produire un semi-conducteur en graphène compatible avec les méthodes conventionnelles de traitement des microélectroniques.

Dans cette dernière recherche, publiée dans Nature, de Heer et son équipe ont surmonté le principal obstacle qui a entravé la recherche sur le graphène pendant des décennies. Il s’agit de la «bande interdite», une propriété électronique cruciale qui permet aux semi-conducteurs de s’allumer et de s’éteindre. Le graphène n’avait pas de bande interdite – jusqu’à maintenant.

Un nouveau type de semi-conducteur en graphène

De Heer a commencé à explorer les matériaux à base de carbone comme semi-conducteurs potentiels au début de sa carrière, puis s’est tourné vers le graphène bidimensionnel en 2001. Il savait alors que le graphène avait un potentiel pour l’électronique.

Le scientifique a réalisé une percée lorsqu’il a découvert comment faire croître le graphène sur des plaquettes de carbure de silicium à l’aide de fours spéciaux. Ils ont produit du graphène épitaxial, qui est une seule couche qui se développe sur une face cristalline du carbure de silicium.

L’équipe a découvert que lorsqu’il était correctement fabriqué, le graphène épitaxial se liait chimiquement au carbure de silicium et commençait à montrer des propriétés semi-conductrices.

Comment ils l’ont fait ?

Dans sa forme naturelle, le graphène n’est ni un semi-conducteur ni un métal, mais un semi-métal. Une bande interdite est un matériau qui peut être allumé et éteint lorsqu’un champ électrique lui est appliqué. C’est pour ainsi dire le mode de fonctionnement de tous les transistors et de l’électronique en silicium. La grande question dans la recherche sur l’électronique en graphène était de savoir comment l’allumer et l’éteindre pour qu’il puisse fonctionner comme le silicium.

Mais pour fabriquer un transistor fonctionnel, un matériau semi-conducteur doit être manipulé maintes fois, ce qui peut endommager ses propriétés. Pour prouver que leur plateforme pouvait fonctionner comme un semi-conducteur viable, l’équipe devait mesurer ses propriétés électroniques sans l’endommager.

Ils ont placé des atomes sur le graphène qui «donnent» des électrons au système – une technique appelée dopage, utilisée pour voir si le matériau était un bon conducteur. Cela a fonctionné sans endommager le matériau ou ses propriétés.

Avancer

Le graphène épitaxial pourrait provoquer un changement de paradigme dans le domaine de l’électronique et permettre de nouvelles technologies qui tirent parti de ses propriétés uniques. Le matériau permet d’utiliser les propriétés ondulatoires quantiques des électrons, ce qui est une exigence pour l’informatique quantique.

Selon de Heer, il n’est pas inhabituel de voir une autre génération d’électronique en route. Avant le silicium, il y avait les tubes à vide, et avant cela, il y avait les fils et les télégraphes. Le silicium est l’une des nombreuses étapes de l’histoire de l’électronique, et la prochaine pourrait être le graphène.

En synthèse

Cette réalisation marque un tournant majeur dans le domaine de l’électronique. Le graphène, avec ses propriétés uniques, pourrait bien être le matériau qui remplacera le silicium dans la fabrication des appareils électroniques. C’est une avancée qui pourrait non seulement transformer l’industrie électronique, mais aussi ouvrir la voie à de nouvelles technologies et applications.

« Pour moi, c’est un peu comme les frères Wright« , a conclu le Pr. de Heer. « Ils ont construit un avion qui pouvait voler à 300 pieds dans les airs. Mais les sceptiques se demandaient pourquoi le monde aurait besoin d’un avion alors qu’il disposait déjà de trains et de bateaux rapides. Mais ils ont persisté, et ce fut le début d’une technologie qui peut faire traverser des océans à des gens.« 

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le graphène?

Le graphène est une forme de carbone qui se présente sous la forme d’une feuille d’atomes disposés en un réseau hexagonal. Il est extrêmement robuste, flexible et conducteur.

Pourquoi le graphène est-il important pour l’électronique?

Le graphène a des propriétés uniques qui le rendent potentiellement supérieur au silicium, le matériau actuellement utilisé dans la plupart des appareils électroniques. Il est plus robuste, peut gérer de très grands courants et ne chauffe pas autant.

Qu’est-ce qu’un semi-conducteur?

Un semi-conducteur est un matériau qui peut conduire l’électricité sous certaines conditions. Ils sont essentiels dans les appareils électroniques car ils peuvent être utilisés pour contrôler le flux d’électricité.

Qu’est-ce que la bande interdite?

La bande interdite est une propriété électronique qui permet aux semi-conducteurs de s’allumer et de s’éteindre. C’est une caractéristique essentielle pour le fonctionnement des appareils électroniques.

Qu’est-ce que cela signifie pour l’avenir de l’électronique?

Cette découverte pourrait marquer le début d’une nouvelle ère dans l’électronique, avec le graphène remplaçant éventuellement le silicium comme matériau de choix pour les semi-conducteurs.

Références

Légende illustration principale : Le dispositif de graphène de l’équipe cultivé sur une puce de substrat en carbure de silicium. Crédit : Georgia Institute of Technology

Article : « Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide » – DOi: 10.1038/s41586-023-06811-0