La loi de Moore, la fameuse prédiction selon laquelle le nombre de transistors pouvant être emballés sur une micropuce doublera tous les deux ans, s'est heurté à des limites physiques de base. Ces limites pourraient mettre un terme à des décennies de progrès, à moins que de nouvelles approches ne soient trouvées.

Une nouvelle direction explorée est l'utilisation de matériaux atomiquement minces au lieu du silicium comme base pour de nouveaux transistors, mais la connexion de ces matériaux "2D" à d'autres composants électroniques conventionnels s'est avérée difficile.

Aujourd'hui chercheurs au MIT, l'Université de Californie à Berkeley, la société de fabrication de semi-conducteurs de Taiwan, et ailleurs ont trouvé une nouvelle façon de faire ces connexions électriques, ce qui pourrait aider à libérer le potentiel des matériaux 2D et à poursuivre la miniaturisation des composants, peut-être suffisamment pour étendre la loi de Moore, du moins dans un avenir proche, disent les chercheurs.

Les résultats sont décrits cette semaine dans la revue Nature, dans un article rédigé par les récents diplômés du MIT, Pin-Chun Shen Ph.D. '20 et Cong Su Ph.D. '20, post-doctorat Yuxuan Lin Ph.D. '19, les professeurs du MIT Jing Kong, Tomas Palacios, et Ju Li, et 17 autres au MIT, UC Berkeley, et d'autres établissements.

« Nous avons résolu l'un des plus gros problèmes de miniaturisation des dispositifs à semi-conducteurs, la résistance de contact entre une électrode métallique et un matériau semi-conducteur monocouche, " dit Su, qui est maintenant à UC Berkeley. La solution s'est avérée simple :l'utilisation d'un semi-métal, l'élément bismuth, pour remplacer les métaux ordinaires pour se connecter avec le matériau monocouche.

De tels matériaux monocouches ultraminces, dans ce cas le bisulfure de molybdène, sont considérés comme un concurrent majeur pour contourner les limites de miniaturisation actuellement rencontrées par la technologie des transistors à base de silicium. Mais créer un système efficace, interface hautement conductrice entre ces matériaux et les conducteurs métalliques, afin de les connecter entre eux et à d'autres appareils et sources d'alimentation, était un défi entravant les progrès vers de telles solutions, dit Su.

L'interface entre les métaux et les matériaux semi-conducteurs (y compris ces semi-conducteurs monocouches) produit un phénomène appelé état de gap induit par le métal, ce qui conduit à la formation d'une barrière de Schottky, un phénomène qui inhibe la circulation des porteurs de charge. L'utilisation d'un semi-métal, dont les propriétés électroniques se situent entre celles des métaux et des semi-conducteurs, combiné à un bon alignement énergétique entre les deux matériaux, s'est avéré pour éliminer le problème.

Lin explique que le rythme rapide de la miniaturisation des transistors qui composent les processeurs informatiques et les puces de mémoire s'est ralenti auparavant, vers 2000, jusqu'à ce qu'un nouveau développement qui a permis une architecture tridimensionnelle de dispositifs semi-conducteurs sur une puce casse l'impasse en 2007 et que des progrès rapides reprennent. Mais maintenant, il dit, "nous pensons que nous sommes au bord d'un autre goulot d'étranglement."

Les matériaux dits bidimensionnels, feuilles minces d'un ou de quelques atomes d'épaisseur, répondre à toutes les exigences pour permettre un saut supplémentaire dans la miniaturisation des transistors, potentiellement réduire de plusieurs fois un paramètre clé appelé la longueur du canal - d'environ 5 à 10 nanomètres, dans les puces de pointe actuelles, à une échelle subnanométrique. Une variété de ces matériaux est largement explorée, comprenant toute une famille de composés appelés dichalcogénures de métaux de transition. Le bisulfure de molybdène utilisé dans les nouvelles expériences appartient à cette famille.

La question de l'obtention d'un contact métallique à faible résistance avec de tels matériaux a également entravé la recherche fondamentale sur la physique de ces nouveaux matériaux monocouches. Parce que les méthodes de connexion existantes ont une résistance si élevée, les minuscules signaux nécessaires pour surveiller le comportement des électrons dans le matériau sont trop faibles pour être transmis. "Il existe de nombreux exemples venant du côté de la physique qui appellent à une faible résistance de contact entre le métal et un semi-conducteur. Donc, c'est aussi un énorme problème dans le monde de la physique, " dit Su.

Déterminer comment étendre et intégrer de tels systèmes à un niveau commercial pourrait prendre un certain temps et nécessiter une ingénierie supplémentaire. Mais pour de telles applications physiques, disent les chercheurs, l'impact des nouvelles découvertes pourrait se faire sentir rapidement. "Je pense qu'en physique, de nombreuses expériences peuvent bénéficier de cette technologie immédiatement, " dit Su.

Pendant ce temps, les chercheurs continuent d'explorer plus avant, continuer à réduire la taille de leurs appareils et rechercher d'autres appariements de matériaux qui pourraient permettre de meilleurs contacts électriques avec l'autre type de porteurs de charge, connu sous le nom de trous. Ils ont résolu le problème du transistor dit de type N, mais s'ils peuvent trouver une combinaison de canal et de matériau de contact électrique pour permettre également un transistor de type P monocouche efficace, qui ouvrirait de nombreuses nouvelles possibilités pour les puces de nouvelle génération, ils disent.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.