Les recherches de Georgia Tech pourraient apporter les avantages du graphène aux semi-conducteurs dans la microélectronique.
Alors que le graphène promet une meilleure efficacité et des performances accrues pour l’électronique, des imitations matérielles ont empêché toute personne de traduire son potentiel en un semi-conducteur fonctionnel – jusqu’à maintenant.
Graphène semi-conducteur. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Georgia Tech
Dans des recherches révolutionnaires menées à Georgia Tech, des scientifiques ont créé le premier semi-conducteur à base de graphène fonctionnel au monde.
Graphène : Un Semi-métal
Le graphène est depuis longtemps connu pour être un matériau aux propriétés électriques exceptionnelles, notamment une mobilité électronique élevée, une excellente conductivité thermique et une remarquable résistance mécanique. Sa structure monocouche d’atomes de carbone agencés en un treillis en nid d’abeille bidimensionnel permet aux électrons de le traverser avec une résistance minimale, ce qui en fait l’un des matériaux les plus conducteurs connus.
Cependant, malgré son énorme potentiel, d’autres limitations physiques ont empêché son utilisation dans les applications de semi-conducteurs conventionnels.
Les semi-métaux n’ont pas de bande interdite. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Lee et al.
Dans son état intrinsèque, le graphène est classé comme un semi-métal, ce qui signifie qu’il ne se comporte pas naturellement comme un semi-conducteur ou un métal. Pour qu’un matériau fonctionne efficacement dans des dispositifs électroniques tels que des transistors, il a besoin d’une bijonction pour que le matériau puisse être commuté « en » et « hors » à travers un champ électrique. Ce principe est à la base du fonctionnement de l’électronique à base de silicium. Par conséquent, le principal défi pour exploiter le graphène dans des applications électroniques a été de lui conférer cette caractéristique commutable, similaire au silicium, sans compromettre ses propriétés intrinsèques.
Recherche sur le Graphène de Georgia Tech
Récemment, une équipe de recherche de Georgia Tech prétend avoir créé le premier dispositif semi-conducteur à base de graphène au monde.
Les chercheurs ont démontré avec succès qu’un épi-graphène bien recuit sur une face spécifique de nitrure de silicium peut servir de semi-conducteur 2D à mobilité élevée. Plus précisément, l’équipe a développé de l’épi-graphène semi-conducteur (SEG) sur des substrats monocristallins de nitrure de silicium, démontrant une bande interdite de 0,6 eV et des mobilités à température ambiante dépassant les 5000 cm²/Vs, ce qui est nettement supérieur à celles du silicium et des autres semi-conducteurs bidimensionnels.
Le processus de production du SEG. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Zhao et al.
La production du SEG implique un four à sublimation à confinement contrôlé (CCS) dans lequel une puce de nitrure de silicium semi-isolante est recuite dans un creuset en graphite sous une atmosphère d’argon. La température et la vitesse de formation du graphène sont précisément contrôlées, la vitesse d’échappement du silicium du creuset jouant un rôle critique.
Pour caractériser le SEG, l’équipe a utilisé la microscopie à tunnel quantique (STM), la microscopie électronique à balayage (SEM), la diffraction électronique à faible énergie (LEED) et la spectroscopie Raman. Ces méthodes ont permis un examen détaillé du SEG à différentes échelles, le distinguant du nitrure de silicium nu et du graphène, et confirmant son enregistrement atomique avec le substrat en nitrure de silicium.
Le Potentiel du Semi-Conducteur à Base d’Épi-Graphène
L’équipe de recherche souligne le potentiel du SEG dans les nanotechnologies électroniques.
En tant que semi-conducteur 2D bien cristallisé avec une bande interdite notable et avec des mobilités élevées, le SEG représente une avancée majeure pour le secteur pour bénéficier des avantages électriques de matériaux tels que le graphène. Les travaux futurs se concentreront sur la production fiable de grandes terrasses avec des diélectriques appropriés, la gestion des barrières de Schottky et le développement de schémas de circuits intégrés. En fin de compte, l’équipe de recherche estime que le SEG a le potentiel de devenir commercialement viable et d’avoir un impact tangible sur les nanotechnologies 2D.