Dans le domaine des technologies émergentes, une équipe de chercheurs a découvert une solution potentielle à un problème majeur qui freinait le développement de semi-conducteurs 2D de haute qualité. Ces derniers sont essentiels pour l’électronique de prochaine génération, englobant l’intelligence artificielle et l’Internet des Objets (IoT).
Le tungstène disélénide, un semi-conducteur, s’est révélé être un matériau potentiel pour les transistors en nanofeuilles, des dispositifs électroniques qui exploitent des couches de matériaux atomiquement minces pour contrôler et manipuler le flux de courant électrique.
Cette recherche a pris une importance accrue depuis l’adoption l’année dernière de la loi CHIPS and Science Act, visant à renforcer les efforts américains pour relocaliser la production et le développement de la technologie des semi-conducteurs.
Néanmoins, synthétiser une feuille monocouche de tungstène disélénide, qui ne mesure que trois atomes d’épaisseur, sur des zones de galettes de saphir allant de 8 à 12 pouces de diamètre, s’est avéré être un défi.
Les défis de la synthèse du tungstène disélénide
La difficulté réside dans un défaut du matériau connu sous le nom de « jumeaux miroirs« . Ces frontières de jumeaux miroirs se forment à partir de cristaux de tungstène disélénide orientés de manière opposée sur les galettes de saphir. Ce défaut disperse les électrons lorsqu’ils traversent la couche 2D, réduisant ainsi les performances du transistor en nanofeuille.
Dans l’étude publiée dans Nature Nanotechnology, les chercheurs de la 2DCC-MIP (Two-Dimensional Crystal Consortium – Materials Innovation Platform) soutenue par la National Science Foundation ont eu recours à la déposition chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD), une technologie qui permet de déposer des couches monocristallines ultra-minces sur un substrat, en l’occurrence une galette de saphir.
Les chercheurs de la 2DCC-MIP ont été les pionniers de l’utilisation de cette technique pour la synthèse de dichalcogénures de métaux de transition à l’échelle de la plaquette, comme le tungstène disélénide.
Des découvertes significatives dans la structuration des cristaux
Les chercheurs ont trouvé qu’en contrôlant les conditions du processus MOCVD, la plupart des cristaux pouvaient être amenés à se fixer aux étapes du saphir. Au cours des expériences, ils ont fait une découverte bonus : si les cristaux se fixent en haut de l’étape, ils s’alignent dans une direction cristallographique, s’ils se fixent en bas, ils s’alignent dans la direction opposée.
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« Si les cristaux peuvent tous être alignés dans la même direction, alors les défauts des jumeaux miroirs dans la couche seront réduits voire éliminés », a déclaré Joan Redwing, directrice de la 2DCC-MIP.
Confirmation de la théorie et impact futur
Les chercheurs de la 2DCC-MIP ont collaboré avec Krystal York, une doctorante de l’université Western Michigan, pour confirmer cette théorie. Ses expériences ont aidé à confirmer que cette méthode était effectivement efficace.
« Cette observation expérimentale a fourni une vérification du modèle théorique qui a été développé pour expliquer le lieu de fixation des cristaux de tungstène disélénide sur les marches sur la galette de saphir », a déclaré Redwing.
Les échantillons de tungstène disélénide à l’échelle de la plaquette sur saphir, produits grâce à ce nouveau processus MOCVD, sont désormais disponibles pour les chercheurs extérieurs à Penn State via le programme utilisateur de la 2DCC-MIP.
En synthèse
Ces travaux sont d’une importance cruciale, car les puces semi-conductrices doivent progresser pour répondre aux exigences d’un nouveau monde d’électronique qui se profile à l’horizon. Les applications comme l’intelligence artificielle et l’Internet des Objets nécessiteront des améliorations de performance ainsi que des moyens de réduire la consommation d’énergie des appareils électroniques.
« Les applications telles que l’intelligence artificielle et l’internet des objets nécessiteront de nouvelles améliorations des performances ainsi que des moyens de réduire la consommation d’énergie de l’électronique« , a conclu M. Redwing. « Les semi-conducteurs 2D de haute qualité à base de diséléniure de tungstène et de matériaux apparentés sont des matériaux importants qui joueront un rôle dans l’électronique de la prochaine génération.«
Les étapes à l’échelle atomique sur les substrats de saphir permettent d’aligner les cristaux des matériaux 2D, de réduire les défauts et d’améliorer les performances des dispositifs électroniques. Crédit : Jennifer M. McCann
