Une équipe de chercheurs de Penn State a développé des transistors à effet de champ utilisant du graphène et du nitrure de bore hexagonal sur une plaquette de 75 millimètres, une étape importante vers l'électronique à base de graphène.
(Phys.org) -- Le graphène est le matériau miracle qui pourrait résoudre le problème de fabriquer des ordinateurs toujours plus rapides et des appareils mobiles plus petits lorsque la technologie actuelle des micropuces en silicium heurte un mur inévitable. Graphène, une seule couche d'atomes de carbone dans un arrangement hexagonal serré, a fait l'objet de nombreuses recherches en raison de ses incroyables propriétés électroniques, avec des vitesses théoriques 100 fois supérieures à celles du silicium. Mais mettre le matériau dans une micropuce qui pourrait surpasser la technologie actuelle du silicium s'est avéré difficile.
La réponse pourrait résider dans de nouveaux systèmes à l'échelle nanométrique basés sur des couches ultrafines de matériaux aux propriétés exotiques. Appelés matériaux stratifiés bidimensionnels, ces systèmes pourraient être importants pour la microélectronique, divers types de capteurs hypersensibles, catalyse, l'ingénierie tissulaire et le stockage d'énergie. Les chercheurs de Penn State ont appliqué un tel matériau en couches 2D, une combinaison de graphène et de nitrure de bore hexagonal, pour produire des performances de transistor améliorées à une échelle industriellement pertinente.
« D'autres groupes ont montré que le graphène sur le nitrure de bore peut améliorer les performances de deux à trois fois, mais pas d'une manière qui pourrait être étendue. Pour la première fois, nous avons pu prendre ce matériau et l'appliquer pour faire des transistors à l'échelle de la tranche, " a déclaré Joshua Robinson, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à Penn State et l'auteur correspondant sur un article rapportant leurs travaux dans la version en ligne de la revue ACS Nano .
Dans l'article, l'équipe de Penn State décrit une méthode pour intégrer une fine couche de graphène d'une ou deux atomes d'épaisseur seulement, avec une deuxième couche de nitrure de bore hexagonal (hBN) d'une épaisseur de quelques atomes jusqu'à plusieurs centaines d'atomes. Le matériau bicouche résultant constitue la prochaine étape dans la création de transistors fonctionnels à effet de champ en graphène pour les dispositifs électroniques et optoélectroniques à haute fréquence.
Des recherches antérieures menées par d'autres groupes ont montré qu'un matériau commun appelé nitrure de bore hexagonal (hBN), un mélange synthétique de bore et d'azote utilisé comme lubrifiant industriel et que l'on retrouve dans de nombreux cosmétiques, est un remplacement potentiel du dioxyde de silicium et d'autres diélectriques hautes performances qui ne se sont pas bien intégrés au graphène. Parce que le bore se trouve à côté du carbone sur le tableau périodique, et le nitrure de bore hexagonal a un arrangement d'atomes similaire à celui du graphène, les deux matériaux correspondent bien électroniquement. En réalité, hBN est souvent appelé graphène blanc. Pour être d'un intérêt plus qu'académique pour le laboratoire, cependant, la bicouche hBN-graphène a dû être cultivée à l'échelle d'une plaquette – d'environ 3 pouces (75 mm) à près de 12 pouces (300 mm).
L'équipe de Penn State a résolu ce problème en utilisant une technique antérieure développée dans leur laboratoire pour produire un uniforme, grande surface, et une couche de graphène épitaxié de haute qualité adaptée aux applications à haute fréquence. Ce « graphène épitaxié quasi-autonome » a été produit en attachant des atomes d'hydrogène au graphène afin de « passiver les liaisons pendantes, ” essentiellement aplatir et lisser le film de graphène. Le nitrure de bore hexagonal a ensuite été cultivé sur un substrat de métal de transition en utilisant une technique de dépôt chimique en phase vapeur qui est standard dans la fabrication. Le hBN a été libéré du substrat via l'un des nombreux processus de transfert et déposé sur le graphène sur une plaquette de 75 mm, marquant la première intégration de graphène épitaxié avec hBN à une échelle compatible avec les besoins de l'industrie.
S'appuyant sur leurs travaux antérieurs avec le graphène épitaxié, qui avait déjà multiplié par deux à trois les performances des transistors, cette recherche ajoute une amélioration supplémentaire de deux à trois fois des performances et montre le fort potentiel d'utilisation du graphène dans l'électronique, selon Robinson. Dans le futur proche, l'équipe de Penn State espère faire la démonstration de circuits intégrés à base de graphène et de dispositifs hautes performances adaptés à la fabrication à l'échelle industrielle sur des plaquettes de 100 mm.
« Nous utilisons toutes les lithographies standard, ce qui est important pour la nanofabrication, », a ajouté Robinson. Afin de faire une brèche dans l'industrie hautement concurrentielle des puces électroniques, un nouveau système de matériaux doit être compatible avec la technologie de traitement actuelle et offrir une amélioration significative des performances.
Le nitrure de bore-graphène est l'un des nombreux systèmes en couches bidimensionnels prometteurs dont les propriétés à l'échelle nanométrique commencent seulement à être découvertes. Dimensionnalité, selon les lauréats du prix Nobel Novoselov et Geim, est l'un des paramètres de matériau les plus déterminants et peut donner lieu à des propriétés radicalement différentes selon que la structure du matériau est 0-D, 1-D, 2D ou 3D. Penn State fait partie des pionniers qui se lancent dans ce qui pourrait s'avérer être une nouvelle frontière de la science des matériaux.
En plus de Robinson, les co-auteurs de l'article ACS Nano sont Michael Bresnehan, Matthieu Hollander, Maxwell Wetherington, Michael LaBella, Kathleen Trumbull, Randal Cavalero, et David Snyder, tout l'État de Penn. Le travail a été soutenu par le Naval Surface Warfare Center Crane, et le soutien de l'instrumentation a été fourni par le National Nanotechnology Infrastructure Network à Penn State.
