Cette méthode économique permet de produire des films semi-conducteurs à partir de matériaux plus performants que le silicium.

Les chercheurs du MIT ont trouvé un moyen de faire croître un semi-conducteur composé monocristallin sur son substrat grâce à des matériaux bidimensionnels.

La grande majorité des appareils informatiques sont aujourd’hui fabriqués en silicium, le deuxième élément le plus abondant sur Terre, après l’oxygène. Le silicium se trouve sous diverses formes dans les roches, l’argile, le sable et le sol. Et bien que ce ne soit pas le meilleur matériau semi-conducteur qui existe sur la planète, c’est de loin le plus facilement disponible. Ainsi, le silicium est le matériau dominant utilisé dans la plupart des appareils électroniques, y compris les capteurs, les cellules solaires et les circuits intégrés de nos ordinateurs et téléphones intelligents.

Aujourd’hui, les ingénieurs du MIT ont mis au point une technique pour fabriquer des films semi-conducteurs ultrafins fabriqués à partir d’une multitude de matériaux exotiques autres que le silicium. Pour démontrer leur technique, les chercheurs ont fabriqué des films souples faits d’arséniure de gallium, de nitrure de gallium et de fluorure de lithium – des matériaux qui présentent de meilleures performances que le silicium, mais dont la production dans des dispositifs fonctionnels était jusqu’à présent prohibée.

Selon les chercheurs, cette nouvelle technique offre une méthode rentable pour fabriquer des composants électroniques flexibles fabriqués à partir de n’importe quelle combinaison d’éléments semi-conducteurs, qui pourraient être plus performants que les dispositifs actuels à base de silicium.

« Nous avons ouvert la voie à la fabrication de systèmes électroniques flexibles avec tant de matériaux différents, autres que le silicium « , explique Jeehwan Kim, professeur agrégé en développement de carrière de la promotion 1947 dans les départements de génie mécanique et de science et génie des matériaux. Kim envisage d’utiliser cette technique pour fabriquer des dispositifs à faible coût et à haute performance tels que des cellules solaires flexibles, des ordinateurs et des capteurs portables.

Les détails de cette nouvelle technique sont rapportés aujourd’hui dans Nature Materials. En plus de Kim, les co-auteurs du MIT sont Wei Kong, Huashan Li, Kuan Qiao, Yunjo Kim, Kyusang Lee, Doyoon Lee, Tom Osadchy, Richard Molnar, Yang Yu, Sang-hoon Bae, Yang Shao-Horn et Jeffrey Grossman, ainsi que des chercheurs de Sun Yat-Sen University, University of Virginia, University of Texas at Dallas, US Naval Research Laboratory, Ohio State University et Georgia Tech.

En 2017, Kim et ses collègues ont mis au point une méthode pour produire des « copies » de matériaux semi-conducteurs coûteux en utilisant du graphène – une feuille atomiquement mince d’atomes de carbone disposés selon un motif hexagonal en grillage. Ils ont découvert que lorsqu’ils empilaient du graphène sur une tranche pure et coûteuse de matériau semi-conducteur comme l’arséniure de gallium, puis qu’ils faisaient couler des atomes de gallium et d’arséniure sur la pile, les atomes semblaient interagir d’une certaine façon avec la couche atomique sous-jacente, comme si le graphène intermédiaire était invisible ou transparent. Par conséquent, les atomes se sont assemblés pour former le motif monocristallin précis de la plaquette semi-conductrice sous-jacente, formant une copie exacte qui pourrait ensuite être facilement décollée de la couche de graphène.

Cette technique, qu’ils appellent  » épitaxie à distance « , a fourni un moyen abordable de fabriquer plusieurs films d’arséniure de gallium, en n’utilisant qu’une seule plaquette sous-jacente coûteuse.

Peu de temps après la publication de leurs premiers résultats, l’équipe s’est demandé si leur technique pouvait être utilisée pour copier d’autres matériaux semi-conducteurs. Ils ont essayé d’appliquer l’épitaxie à distance au silicium, ainsi qu’au germanium – deux semi-conducteurs bon marché – mais ils ont découvert que lorsqu’ils faisaient circuler ces atomes sur du graphène, ils n’interagissaient pas avec leurs couches sous-jacentes respectives. C’était comme si le graphène, auparavant transparent, devenait soudain opaque, empêchant les atomes de silicium et de germanium de « voir » les atomes de l’autre côté.

Il se trouve que le silicium et le germanium sont deux éléments qui existent dans le même groupe du tableau périodique des éléments. Plus précisément, les deux éléments appartiennent au groupe quatre, une classe de matériaux neutres sur le plan ionique, c’est-à-dire sans polarité.

« Ça nous a donné un indice », dit Kim.

Peut-être, selon le raisonnement de l’équipe, les atomes ne peuvent interagir les uns avec les autres par le graphène que s’ils ont une charge ionique. Par exemple, dans le cas de l’arséniure de gallium, le gallium a une charge négative à l’interface, comparativement à la charge positive de l’arsenic. Cette différence de charge, ou polarité, peut avoir aidé les atomes à interagir à travers le graphène comme s’il était transparent, et à copier le motif atomique sous-jacent.

« Nous avons constaté que l’interaction par le graphène est déterminée par la polarité des atomes. Pour les matériaux les plus résistants liés ioniquement, ils interagissent même à travers trois couches de graphène « , explique Kim. « C’est semblable à la façon dont deux aimants peuvent attirer, même à travers une mince feuille de papier. »

Les opposés s’attirent

Les chercheurs ont testé leur hypothèse en utilisant l’épitaxie à distance pour copier des matériaux semi-conducteurs avec différents degrés de polarité, du silicium neutre et du germanium à l’arséniure de gallium légèrement polarisé et enfin au fluorure de lithium fortement polarisé – un semi-conducteur meilleur et plus cher que le silicium.

Ils ont constaté que plus le degré de polarité est élevé, plus l’interaction atomique est forte, même, dans certains cas, à travers plusieurs feuilles de graphène. Chaque film qu’ils étaient capables de produire était flexible et n’avait que des dizaines ou des centaines de nanomètres d’épaisseur.

Le matériau à travers lequel les atomes interagissent est également important, a trouvé l’équipe. En plus du graphène, ils ont expérimenté une couche intermédiaire de nitrure de bore hexagonal (hBN), un matériau qui ressemble au modèle atomique du graphène et qui a une qualité similaire à celle du téflon, permettant aux matériaux superposés de se décoller facilement une fois copiés.

Cependant, le hBN est composé d’atomes de bore et d’azote chargés en sens inverse, qui génèrent une polarité à l’intérieur du matériau lui-même. Au cours de leurs expériences, les chercheurs ont découvert que les atomes qui s’écoulent sur le hBN, même s’ils étaient eux-mêmes fortement polarisés, étaient incapables d’interagir complètement avec leurs plaquettes sous-jacentes, ce qui suggère que la polarité des atomes d’intérêt et du matériau intermédiaire détermine si les atomes vont interagir et former une copie de la plaquette semi-conductrice originale.

« Maintenant, nous comprenons vraiment qu’il y a des règles d’interaction atomique par le graphène « , dit Kim.

Grâce à cette nouvelle compréhension, dit-il, les chercheurs peuvent maintenant simplement regarder le tableau périodique et choisir deux éléments de charge opposés. Une fois qu’ils ont acquis ou fabriqué une plaquette principale fabriquée à partir des mêmes éléments, ils peuvent ensuite appliquer les techniques d’épitaxie à distance de l’équipe pour fabriquer des copies multiples et exactes de la plaquette originale.

« Les gens ont surtout utilisé des plaquettes de silicium parce qu’elles sont bon marché « , dit Kim.
« Aujourd’hui, notre méthode ouvre la voie à l’utilisation de matériaux non silicones plus performants. Vous pouvez simplement acheter une gaufrette coûteuse et la copier encore et encore, et continuer à réutiliser la gaufrette. Et maintenant, la bibliothèque de matériaux pour cette technique est totalement étendue. »

Kim envisage que l’épitaxie à distance peut maintenant être utilisée pour fabriquer des films ultrafins et flexibles à partir d’une grande variété de matériaux semi-conducteurs auparavant exotiques, à condition que les matériaux soient fabriqués à partir d’atomes ayant un certain degré de polarité. De tels films ultrafins pourraient être empilés les uns sur les autres pour produire des dispositifs minuscules, flexibles et multifonctionnels, tels que des capteurs portables, des cellules solaires flexibles et même, dans un avenir lointain, des « téléphones portables qui se fixent sur votre peau ».

« Dans les villes intelligentes, où nous pourrions vouloir installer de petits ordinateurs partout, nous aurions besoin d’appareils informatiques et de détection de faible puissance et très sensibles, fabriqués avec de meilleurs matériaux « , explique Kim. « Cette [étude] ouvre la voie à ces dispositifs. »

Cette recherche a été soutenue en partie par la Defense Advanced Research Projects Agency, le Department of Energy, le Air Force Research Laboratory, LG Electronics, Amore Pacific, LAM Research et Analog Devices.

 

 

 

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