Une nouvelle méthode permet d'obtenir de meilleures performances avec des transistors atomiquement minces

Jan 30, 2024

John Timmer - 21 mars 2023 à 15h55 UTC

Les matériaux atomiquement minces comme le graphène sont des molécules uniques dans lesquelles toutes les liaisons chimiques sont orientées de manière à ce que la molécule résultante forme une feuille. Ceux-ci ont souvent des propriétés électroniques distinctives qui peuvent potentiellement permettre la production de composants électroniques dotés de caractéristiques incroyablement petites, de seulement quelques atomes d’épaisseur. Et il existe un certain nombre d’exemples de matériel fonctionnel construit à partir de ces matériaux bidimensionnels.

Mais presque tous les exemples jusqu’à présent ont utilisé une construction sur mesure, impliquant parfois des chercheurs manipulant des flocons de matériau individuels à la main. Nous n’en sommes donc pas au point où nous pouvons fabriquer en masse des composants électroniques complexes à partir de ces matériaux. Mais un article publié aujourd'hui décrit une méthode de production de transistors à l'échelle d'une tranche basée sur des matériaux bidimensionnels. Et les transistors qui en résultent fonctionnent de manière plus cohérente que ceux fabriqués selon des approches de fabrication plus traditionnelles.

La plupart des efforts déployés pour faciliter la production de produits électroniques basés sur des matériaux atomiquement minces ont consisté à intégrer ces matériaux dans les techniques traditionnelles de fabrication de semi-conducteurs. Cela est logique car ces techniques nous permettent d’effectuer des manipulations de matériaux à une échelle incroyablement fine et à des volumes élevés. Généralement, cela signifie qu'une grande partie du câblage métallique nécessaire à l'électronique est mise en place par la fabrication traditionnelle. Le matériau 2D est ensuite superposé au métal et un traitement supplémentaire est effectué pour former des transistors fonctionnels.

Souvent, ce « traitement supplémentaire » implique la superposition de métal sur le matériau 2D. Selon les chercheurs à l’origine de ces travaux, cette méthode n’est probablement pas la meilleure façon de procéder. Le dépôt du métal peut endommager le matériau 2D, et certains atomes métalliques individuels peuvent potentiellement se diffuser dans le matériau 2D, créant de petits courts-circuits au sein de l'élément plus grand. Tout cela dégrade les performances de tout circuit construit à l’aide de cette technique.

L’équipe a donc trouvé un moyen de former séparément toutes les parties individuelles du circuit et de les rassembler dans des conditions douces. La partie la plus simple consistait à former les grilles des transistors, qui étaient simplement gravées sur un substrat solide puis recouvertes d'oxyde d'aluminium.

Séparément, l’équipe a formé une feuille uniforme d’un matériau atomiquement mince (disulfure de molybdène) sur une surface de dioxyde de silicium par dépôt chimique en phase vapeur. Cette feuille a ensuite été décollée et transférée sur l’oxyde d’aluminium, ce qui a donné lieu à une fine couche atomique de semi-conducteur placée au-dessus de la grille. Pour former un transistor, il manquait aux chercheurs des électrodes de source et de drain.

Ceux-ci ont été réalisés complètement séparément en formant tout le câblage sur une surface solide. Le câblage a ensuite été intégré dans un polymère et le tout a été décollé de la surface, créant ainsi une feuille de polymère avec les fils intégrés sur sa surface inférieure. À lui seul, ce polymère est suffisamment flexible pour pouvoir s'étirer ou se déformer, et ainsi le câblage ne s'alignerait pas avec les portes, comme cela est nécessaire pour former des circuits fonctionnels. Pour limiter ces distorsions, les chercheurs ont lié le polymère à une feuille de quartz avant de le tamponner sur la plaquette recouverte d'électrodes de grille. Cela a déposé le câblage directement sur le bisulfure de molybdène, complétant ainsi la formation de transistors fonctionnels.

Une fois que tout était en place, le polymère pouvait être retiré dans des conditions douces et tout excès de matériau pouvait être découpé par gravure au plasma. Le résultat a été une collection de transistors où la connexion du semi-conducteur aux électrodes de source et de drain est simplement formée par les matériaux physiquement placés les uns à côté des autres. Cela limite la possibilité d’endommager le matériau semi-conducteur atomiquement mince.

Bien que tout le traitement nécessaire ici soit beaucoup plus doux que la fabrication classique de semi-conducteurs, cette fabrication simplifie les choses en formant toutes les fonctionnalités là où elles sont finalement nécessaires. Pour que cette approche fonctionne, les électrodes de source et de drain sont fabriquées séparément de la grille et doivent ensuite être mises en place. Pour les circuits dotés de petites fonctionnalités, cela nécessite un alignement incroyablement précis.