Les ingénieurs du MIT produisent des matériaux atomiques sur des feuilles de silicium

Les ingénieurs du MIT créent des matériaux atomiques sur des feuilles de silicium
Les ingénieurs du MIT créent des matériaux atomiques minces sur des feuilles de silicium - En déposant des atomes sur une plaquette recouverte d'un "masque" (en haut à gauche), les ingénieurs du MIT peuvent collecter les atomes dans des poches séparées du masque (au milieu) et faire croître les atomes en parfait, Couches bidimensionnelles monocristallines peuvent fournir (en bas à droite). Crédits : Avec l'aimable autorisation des chercheurs. Edité par MIT News.

La méthode qu'ils ont développée pourrait permettre aux fabricants de puces de fabriquer des transistors de nouvelle génération à partir de matériaux autres que le silicium. Grille de trous carrés sur une puce rose. La puce est répétée trois fois. Des atomes verts et blancs sont intercalés sur la puce dans le coin supérieur gauche. Au centre, les atomes sont disposés en configurations triangulaires à l'intérieur des trous carrés. Un gros plan de rangées atomiques alignées avec précision peut être vu à droite.

Le nombre de transistors sur une puce a doublé chaque année depuis les années 1960, comme le prédit la loi de Moore. Cependant, cette tendance devrait finir par se stabiliser, car le silicium perd ses propriétés électriques en dessous d'une certaine taille de dispositif.

Parlons des matériaux 2D, qui sont des couches fragiles et bidimensionnelles de cristaux sans défaut d'un seul atome d'épaisseur. Les matériaux 2D peuvent transporter des électrons à l'échelle nanométrique beaucoup plus efficacement que le silicium. Par conséquent, dans la recherche de matériaux de transistor de nouvelle génération pouvant remplacer le silicium, les matériaux 2D ont reçu beaucoup d'attention.

Mais avant que l'industrie électronique ne puisse passer aux matériaux 2D, les chercheurs doivent comprendre comment concevoir des matériaux sur des puces de silicium qui répondent aux normes industrielles tout en conservant des formes cristallines idéales. Les ingénieurs du MIT ont peut-être maintenant une solution.

Transistors en matériaux 2D

L'équipe a créé une technique qui pourrait permettre aux fabricants de puces de créer des transistors fabriqués à partir de matériaux 2D plus fins en les faisant croître sur des puces de silicium et d'autres matériaux actuellement utilisés.
La technique innovante que l'équipe a d'abord appliquée pour créer des matériaux 2D purs et sans défaut sur des plaquettes de silicium industrielles est un type de "croissance monocristalline non épitaxiale".

La technique de l'équipe leur a permis de créer un transistor fonctionnel de base à partir d'une classe de matériaux 2D connus sous le nom de dichalcogénures de métaux de transition, ou TMD, connus pour conduire l'électricité plus efficacement à l'échelle nanométrique que le silicium.
Selon Jeehwan Kim, professeur agrégé de génie mécanique au MIT, "Nous pensons que notre approche pourrait permettre le développement d'appareils électroniques 2D à base de semi-conducteurs, hautes performances et de nouvelle génération". "Nous avons trouvé une technique qui utiliserait des matériaux 2D pour capturer la loi de Moore."

Dans une étude publiée aujourd'hui dans la revue Nature, Kim et ses collègues décrivent leur méthode.
Traditionnellement, les chercheurs ont utilisé une procédure manuelle dans laquelle une fine couche d'atome est méticuleusement décollée d'un matériau en vrac, similaire à l'épluchage des couches d'un oignon.

Cependant, la plupart des matériaux en vrac sont polycristallins et se composent de nombreux cristaux se développant dans diverses directions. Le "joint de grain" fonctionne comme une barrière électrique où les deux cristaux entrent en collision. Les électrons traversant un cristal et rencontrant un cristal avec une orientation différente s'arrêtent soudainement et réduisent la conductivité du matériau. Même après exfoliation d'une échelle 2D, les chercheurs doivent rechercher des régions « monocristallines » ; il s'agit d'un processus difficile, fatigant et long à mettre en œuvre à l'échelle commerciale.
On pense que les matériaux 2D monocristallins sont presque difficiles à fabriquer sur du silicium, selon Kim. « Maintenant, nous pouvons prouver que nous pouvons le faire. Et notre astuce consiste à empêcher la formation de joints de grains.

Il n'est pas nécessaire d'écailler et de regarder le matériau 2D pour le nouveau "développement monocristallin non épitaxié" de l'équipe. Au lieu de cela, les scientifiques utilisent des techniques standard de dépôt en phase vapeur pour pomper des atomes sur une puce de silicium. À un moment donné, les atomes atterrissent sur la puce, nucléent et se transforment en orientations cristallines bidimensionnelles. Chaque "noyau" ou germe de cristal se développera sur la puce de silicium dans une direction aléatoire s'il n'est pas surveillé. Mais Kim et ses collègues ont pu aligner chaque cristal au fur et à mesure de sa croissance pour produire des zones de monocristaux sur toute la puce.

Pour y parvenir, ils ont d'abord appliqué un "masque" de dioxyde de silicium sur une puce de silicium, qu'ils ont structurée en petites poches, chacune étant destinée à contenir un germe de cristal. Ensuite, un gaz d'atomes logés dans chaque poche s'est écoulé sur la feuille de masquage pour former un matériau 2D (un TMD dans ce cas). Les atomes étaient retenus par les poches du masque, ce qui les encourageait à se rassembler dans une seule orientation cristalline sur la puce de silicium.
Selon Kim, bien qu'il n'y ait pas de relation épitaxiale entre le matériau 2D et la plaquette de silicium, vous obtenez une croissance monocristalline partout.

L'équipe a créé un transistor TMD simple en utilisant la technique de masquage et a montré que ses performances électriques sont comparables à celles d'un timbre pur du même matériau.

Ils ont également utilisé cette technique pour concevoir un dispositif multicouche. Ils ont d'abord développé un type de matériau 2D pour remplir la moitié de chaque carré sur une puce de silicium recouverte d'un masque à motifs, puis un autre type de matériau 2D sur la première couche pour remplir les carrés restants. En conséquence, chaque carré contenait une structure monocristalline bicouche ultra-mince. Selon Kim, un grand nombre de matériaux 2D pourraient être développés à l'avenir et empilés de cette manière pour créer des films ultra-fins, flexibles et multifonctionnels.
Kim affirme que toute la communauté s'efforce de développer des processeurs de nouvelle génération sans transférer de matériaux 2D. "Jusqu'à présent, il n'existait aucune technique pour fabriquer des matériaux 2D sous forme monocristalline sur des plaquettes de silicium", explique-t-il. « Maintenant que nous avons trouvé une technique pour fabriquer des dispositifs plus petits que quelques nanomètres, nous avons complètement surmonté ce défi. En conséquence, le paradigme de la loi de Moore va changer.

Source : news.mit.edu/

Günceleme: 23/01/2023 18:24

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