Selon des chercheurs de l'Université de technologie et de design de Singapour (SUTD), une famille de semi-conducteurs bidimensionnels (2D) récemment découverte pourrait ouvrir la voie à une électronique performante et économe en énergie. Leurs découvertes pourraient conduire à la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs applicables dans les domaines de l'électronique et de l'optoélectronique grand public. Elle pourrait même remplacer complètement la technologie des dispositifs à base de silicium.
Une diminution constante de la taille des semi-conducteurs
Dans la quête de miniaturisation des dispositifs électroniques, une tendance bien connue est la loi de Moore. Cette loi décrit comment le nombre de composants dans les circuits intégrés des ordinateurs double tous les deux ans. Cette tendance est possible grâce à la diminution constante de la taille des transistors. Certains sont même si petits que des millions d'entre eux peuvent être entassés sur une puce de la taille d'un ongle. Mais alors que cette tendance se poursuit, les ingénieurs commencent à se heurter aux limites matérielles inhérentes à la technologie des dispositifs à base de silicium.
« En raison de l'effet tunnel quantique, le fait de rétrécir trop fortement un transistor à base de silicium entraînera des comportements hautement incontrôlables du dispositif », a déclaré le professeur adjoint du SUTD, Ang Yee Sin, qui a dirigé l'étude. Les gens cherchent maintenant de nouveaux matériaux au-delà de “l'ère du silicium”, et les semi-conducteurs 2D sont un candidat prometteur.
Les semi-conducteurs 2D sont des matériaux dont l'épaisseur ne dépasse pas quelques atomes. En raison de leur taille nanométrique, ces matériaux sont de sérieux candidats au remplacement du silicium dans la recherche de dispositifs électroniques compacts. Cependant, de nombreux semi-conducteurs 2D actuellement disponibles présentent une résistance électrique élevée lorsqu'ils entrent en contact avec des métaux.
Semi-conducteurs 2D : des matériaux exempts de FLP
Cela a piqué l'intérêt de l'équipe pour les contacts ohmiques ou les contacts métal-semiconducteur sans barrière Schottky. Dans leur étude, Ang et ses collaborateurs ont montré qu'une famille de semi-conducteurs 2D récemment découverte, à savoir MoSi2N4 et WSi2N4, forme des contacts ohmiques avec les métaux titane, scandium et nickel. Des métaux qui sont largement utilisés dans l'industrie des dispositifs à semi-conducteurs.
En outre, les chercheurs ont également montré que les nouveaux matériaux sont exempts de pinning de niveau de Fermi (FLP). Un problème qui limite fortement le potentiel d'application d'autres semi-conducteurs 2D.
« Le FLP est un effet indésirable qui se produit dans de nombreux contacts métal-semiconducteur. Il est causé par des défauts et des interactions complexes entre les matériaux à l'interface du contact », a déclaré M. Ang. Un tel effet « fige » les propriétés électriques du contact dans une plage étroite.
En raison du FLP, les ingénieurs sont incapables de régler ou d'ajuster la barrière Schottky entre le métal et le semi-conducteur. Ce qui réduit la flexibilité de conception d'un dispositif semi-conducteur.
Semi-conducteurs 2D : Pour une application au-delà de l'électronique
Pour minimiser la FLP, les ingénieurs utilisent généralement des stratégies telles que le positionnement très doux et lent du métal sur le semi-conducteur 2D. Ils utilisent aussi la création d'une couche tampon entre le métal et le semi-conducteur. L'utilisation d'un métal 2D comme matériau de contact avec le semi-conducteur 2D est aussi courant. Bien que ces méthodes soient réalisables, elles ne sont pas encore pratiques. Elles sont incompatibles avec la fabrication de masse à l'aide des techniques industrielles courantes disponibles aujourd'hui.
Étonnamment, l'équipe de M. Ang a montré que le MoSi2N4 et le WSi2N4 sont naturellement protégés de la FLP. Ils disposent en effet d'une couche externe inerte de Si-N qui les protège. Une couche qui protège la couche semi-conductrice sous-jacente des défauts et des interactions matérielles à l'interface de contact.
Grâce à cette protection, la barrière Schottky est « non épinglée ». Elle peut être réglée pour répondre à un large éventail d'exigences d'application. Cette amélioration des performances permet aux semi-conducteurs 2D de remplacer la technologie à base de silicium. Des acteurs majeurs comme TSMC et Samsung ont déjà exprimé leur intérêt pour l'électronique à semi-conducteurs 2D. M. Ang espère que ses travaux encourageront d'autres chercheurs à sonder d'autres membres de la famille des semi-conducteurs 2D nouvellement découverts. Le but étant d'y trouver des propriétés intéressantes, même celles dont les applications dépassent l'électronique.
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