Structure d'un FET à grille unique avec un canal en matériau 2-D. Autour de lui se trouvent une sélection de matériaux 2D qui ont été étudiés. Crédit :Mathieu Luisier/ETH Zürich
Depuis la découverte du graphène, les matériaux bidimensionnels ont été au centre de la recherche sur les matériaux. Entre autres, ils pourraient être utilisés pour construire de minuscules, transistors hautes performances. Des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'EPF Lausanne ont maintenant simulé et évalué une centaine de matériaux possibles à cette fin et découvert 13 candidats prometteurs.
Avec la miniaturisation croissante des composants électroniques, les chercheurs sont aux prises avec des effets secondaires indésirables :dans le cas des transistors à l'échelle nanométrique faits de matériaux conventionnels tels que le silicium, des effets quantiques se produisent qui altèrent leur fonctionnalité. L'un de ces effets quantiques, par exemple, est des courants de fuite supplémentaires, c'est-à-dire des courants qui s'échappent « s'égarent » et non via le conducteur prévu entre les contacts de source et de drain. On pense donc que la loi d'échelle de Moore, qui stipule que le nombre de circuits intégrés par unité de surface double tous les 12 à 18 mois, atteindra ses limites dans un futur proche en raison des défis croissants liés à la miniaturisation de leurs composants actifs. Cela signifie finalement que les transistors à base de silicium actuellement fabriqués, appelés FinFET et équipant presque tous les supercalculateurs, ne peuvent plus être rendus arbitrairement plus petits en raison des effets quantiques.
Des lueurs d'espoir en deux dimensions
Cependant, une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'EPF Lausanne montre que ce problème pourrait être surmonté avec de nouveaux matériaux bidimensionnels (2D) - ou du moins c'est ce que suggèrent les simulations qu'ils ont effectuées sur le supercalculateur "Piz Daint" .
Le groupe de recherche, dirigé par Mathieu Luisier de l'Institute for Integrated Systems (IIS) de l'ETH Zurich et Nicola Marzari de l'EPF Lausanne, ont utilisé les résultats de recherche que Marzari et son équipe avaient déjà obtenus comme base pour leurs nouvelles simulations :en 2018, 14 ans après la découverte du graphène, il a été clair pour la première fois que des matériaux bidimensionnels pouvaient être produits, ils ont utilisé des simulations complexes sur "Piz Daint" pour passer au crible un pool de plus de 100, 000 matériaux ; ils ont extrait 1, 825 composants prometteurs à partir desquels des couches de matériau 2D ont pu être obtenues.
Les chercheurs ont sélectionné 100 candidats parmi ces plus de 1, 800 matériaux, dont chacun est constitué d'une monocouche d'atomes et pourrait convenir à la construction de transistors à effet de champ (FET) ultra-scalés. Ils ont maintenant étudié leurs propriétés au microscope "ab initio". En d'autres termes, ils ont utilisé le superordinateur du CSCS « Piz Daint » pour d'abord déterminer la structure atomique de ces matériaux en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Ils ont ensuite combiné ces calculs avec un solveur dit de transport quantique pour simuler les flux d'électrons et de trous à travers les transistors générés virtuellement. Le simulateur de transport quantique utilisé a été développé par Luisier en collaboration avec une autre équipe de recherche de l'ETH, et la méthode sous-jacente a reçu le prix Gordon Bell en 2019.
Trouver le candidat 2-D optimal
Le facteur décisif pour la viabilité du transistor est de savoir si le courant peut être contrôlé de manière optimale par un ou plusieurs contact(s) de grille. Grâce à la nature ultra-fine des matériaux 2D, généralement plus minces qu'un nanomètre, un seul contact de grille peut moduler le flux d'électrons et les courants de trous, ainsi allumer et éteindre complètement un transistor.
"Bien que tous les matériaux 2D aient cette propriété, tous ne se prêtent pas à des applications logiques, " Luisier souligne, "seulement ceux qui ont une bande interdite suffisamment grande entre la bande de valence et la bande de conduction." Les matériaux avec une bande interdite appropriée empêchent les effets dits tunnel des électrons et donc les courants de fuite qu'ils provoquent. Ce sont précisément ces matériaux que les chercheurs recherchaient dans leurs simulations.
Leur objectif était de trouver des matériaux 2D pouvant fournir un courant supérieur à 3 milliampères par micromètre, à la fois comme transistors de type n (transport d'électrons) et comme transistors de type p (transport de trous), et dont la longueur de canal peut être aussi petite que 5 nanomètres sans altérer le comportement de commutation. "Ce n'est que lorsque ces conditions sont remplies que les transistors à base de matériaux bidimensionnels surpassent les FinFET Si conventionnels, " dit Luisier.
La balle est désormais dans le camp des chercheurs expérimentateurs
Compte tenu de ces aspects, les chercheurs ont identifié 13 matériaux 2-D possibles avec lesquels les futurs transistors pourraient être construits et qui pourraient également permettre la poursuite de la loi d'échelle de Moore. Certains de ces matériaux sont déjà connus, par exemple phosphore noir ou HfS
"Nous avons créé l'une des plus grandes bases de données de matériaux de transistors grâce à nos simulations. Avec ces résultats, nous espérons motiver les expérimentateurs travaillant avec des matériaux 2D pour exfolier de nouveaux cristaux et créer des commutateurs logiques de nouvelle génération, ", explique le professeur de l'ETH. Les groupes de recherche dirigés par Luisier et Marzari travaillent en étroite collaboration au sein du Centre national de compétence en recherche (PRN) MARVEL et ont maintenant publié leurs derniers résultats communs dans la revue ACS Nano . Ils sont convaincus que les transistors basés sur ces nouveaux matériaux pourraient remplacer ceux en silicium ou en dichalcogénures de métaux de transition actuellement populaires.
