La prochaine génération d'électronique riche en fonctionnalités et économe en énergie nécessitera des puces informatiques de quelques atomes d'épaisseur seulement. Pour tous ses attributs positifs, le silicium fiable ne peut pas nous emmener à ces extrêmes ultrafins.
Maintenant, les ingénieurs électriciens de Stanford ont identifié deux semi-conducteurs - le diséléniure d'hafnium et le diséléniure de zirconium - qui partagent ou même dépassent certaines des caractéristiques souhaitables du silicium, à commencer par le fait que les trois matériaux peuvent "rouiller".
"C'est un peu comme la rouille, mais une rouille très désirable, " a déclaré Eric Pop, professeur agrégé de génie électrique, qui a co-écrit avec le chercheur post-doctoral Michal Mleczko un article paru dans la revue Avancées scientifiques .
Les nouveaux matériaux peuvent également être réduits en circuits fonctionnels de seulement trois atomes d'épaisseur et ils nécessitent moins d'énergie que les circuits en silicium. Bien qu'encore expérimental, les chercheurs ont déclaré que les matériaux pourraient être un pas vers les types de diluant, puces plus économes en énergie exigées par les appareils du futur.
Les atouts du silicium
Le silicium possède plusieurs qualités qui l'ont conduit à devenir le socle de l'électronique, Pop a expliqué. L'un est qu'il est doté d'un très bon isolant "natif", dioxyde de silicium ou, en anglais simple, rouille de silicium. L'exposition du silicium à l'oxygène pendant la fabrication permet aux fabricants de puces d'isoler facilement leurs circuits. D'autres semi-conducteurs ne "rouillent" pas dans de bons isolants lorsqu'ils sont exposés à l'oxygène, ils doivent donc être superposés avec des isolants supplémentaires, une étape qui présente des défis d'ingénierie. Les deux diséléniures testés par le groupe de Stanford formaient cet insaisissable, encore une couche de rouille isolante de haute qualité lorsqu'elle est exposée à l'oxygène.
Non seulement les deux semi-conducteurs ultrafins rouillent, ils le font d'une manière encore plus souhaitable que le silicium. Ils forment ce qu'on appelle des isolants "high-K", qui permettent un fonctionnement à plus faible puissance qu'avec le silicium et son isolant en oxyde de silicium.
Alors que les chercheurs de Stanford commençaient à réduire les diséléniures à la minceur atomique, ils ont réalisé que ces semi-conducteurs ultrafins partagent un autre des avantages secrets du silicium :l'énergie nécessaire pour allumer les transistors - une étape critique dans l'informatique, appelé la bande interdite - est dans une fourchette juste. Trop bas et les circuits fuient et deviennent peu fiables. Trop élevé et la puce prend trop d'énergie pour fonctionner et devient inefficace. Les deux matériaux étaient dans la même plage optimale que le silicium.
Tout cela et les diséléniures peuvent également être façonnés en circuits de seulement trois atomes d'épaisseur, ou environ deux tiers de nanomètre, quelque chose que le silicium ne peut pas faire.
"Les ingénieurs ont été incapables de fabriquer des transistors en silicium plus minces qu'environ cinq nanomètres, avant que les propriétés du matériau ne commencent à changer de manière indésirable, " dit Pop.
La combinaison de circuits plus minces et d'une isolation à K élevé souhaitable signifie que ces semi-conducteurs ultrafins pourraient être transformés en transistors 10 fois plus petits que tout ce qui est possible avec le silicium aujourd'hui.
"Le silicium ne disparaîtra pas. Mais pour les consommateurs, cela pourrait signifier une durée de vie de la batterie beaucoup plus longue et des fonctionnalités beaucoup plus complexes si ces semi-conducteurs peuvent être intégrés au silicium, " dit Pop.
Plus de travail à faire
Il y a beaucoup de travail à venir. D'abord, Mleczko et Pop doivent affiner les contacts électriques entre les transistors sur leurs circuits ultrafins en diséléniure. "Ces connexions se sont toujours avérées un défi pour tout nouveau semi-conducteur, et la difficulté devient plus grande à mesure que nous réduisons les circuits à l'échelle atomique, " a déclaré Mleczko.
Ils travaillent également à mieux contrôler les isolants oxydés pour s'assurer qu'ils restent aussi minces et stables que possible. Durer, mais pas des moindres, ce n'est que lorsque ces éléments sont en ordre qu'ils commenceront à s'intégrer à d'autres matériaux, puis à évoluer vers des plaquettes de travail, circuits complexes et, finalement, systèmes complets.
"Il y a plus de recherches à faire, mais un nouveau chemin vers plus mince, des circuits plus petits - et une électronique plus économe en énergie - est à portée de main, " dit Pop.
