Le meilleur de la miniaturisation des semi-conducteurs

Le silicène, un nouveau matériau semi-conducteur qui réunit les propriétés du silicium et du graphène, est l'un des principaux candidats pour la fabrication de circuits électroniques toujours plus fins, pour de futurs dispositifs intelligents.

«L'électronique est aujourd'hui intégrée dans plusieurs couches d'atomes de silicium. S'il est possible de les produire en une seule couche, il est possible de les réduire à des tailles nettement inférieures permettant de réduire les pertes de puissance et de rendre les dispositifs plus puissants et plus efficients», explique le Dr Athanasios Dimoulas, coordinateur du projet 2D-NANOLATTICES, financé par l’UE.

Le graphène est un matériau intéressant dans le sens où il est formé d'une seule couche d'atomes, mais il ne dispose pas de la «bande interdite» nécessaire pour en faire un matériau semi-conducteur. Le silicène, une forme en 2D du silicium, fait entrer ses propriétés de semi-conducteur dans le monde des matériaux en 2D. Cependant, le problème avec le silicène est qu'il se modifie au contact d'autres matériaux comme les métaux.

Des dispositifs électroniques 100 fois plus petits

La concentration de dispositifs électroniques en une seule couche de silicène tout en maintenant les performances électroniques s'est avérée complexe pour les chercheurs, du moins, jusqu'à présent. Le projet 2D-NANOLATTICES a réalisé une innovation considérable en créant un transistor à effet de champ (FET) à partir de ce matériau innovant pour qu'il fonctionne à température ambiante.

Les FET sont des composants de commutation essentiels dans les circuits électroniques. Leur intégration dans une couche unique d'atomes de silicium (dans une structure de type silicène), puis le transfert de cette couche, cultivée sur un substrat d'argent, vers une autre couche faite d'une substance plus neutre, le dioxyde de silicium, est une réussite de taille. «Les tests ont démontré que les performances du silicène sont excellentes sur le substrat non métallique», se réjouit le Dr Dimoulas, de Demokritos, le Centre national grec de recherche scientifique.

«Un transistor composé d'une simple couche de matériau comme le silicium est un défi qui n'avait jamais été réalisé auparavant, il s'agit donc d'une découverte capitale. Il sera possible, sur la base de ce résultat, de fabriquer des transistors jusqu'à 100 fois plus petits en épaisseur», ajoute le Dr Dimoulas.

Reconnaître le potentiel

Maintenant que le transistor a pu être réduit en épaisseur à une seule couche 2D d'atomes, il est possible de réduire ses dimensions également latéralement, c'est-à-dire que la même zone sur une puce pourrait supporter jusqu'à 25 fois plus d'électronique, d'après les calculs du Dr Dimoulas.

De plus, l'utilisation d'un canal unique et étroit pour conduire le courant électrique réduirait les pertes de puissance, un problème qui préoccupe depuis longtemps l'industrie des semi-conducteurs; en effet, comment réduire la taille sans entraîner de surchauffe sous la forme de pertes de puissance?

Il s'agit donc d'une bonne nouvelle pour les fabricants de puces électroniques, étant donné que la course pour fabriquer la prochaine vague des technologies de communication a pris davantage d'ampleur avec l'arrivée des réseaux mobiles 5G.

Le projet 2D NANOLATTICES qui a reçu une subvention de 1,63 million d'euros du programme 7e PC (au titre du programme des Technologies futures et émergentes), a duré du 1er juin 2011 au 31 août 2014 et a réuni six partenaires, de quatre pays de l’UE.