Skip to main content

25 Jan, 2024

Des chercheurs revendiquent la première puce fonctionnelle à base de graphène 

Des chercheurs revendiquent la première puce fonctionnelle à base de graphène 

Walt de Heer de Georgia Tech examine une puce basée sur le premier semi-conducteur à base de graphène fonctionnel au monde.

Des chercheurs de Georgia Tech, à Atlanta, ont développé ce qu’ils appellent le premier semi-conducteur à base de graphène fonctionnel au monde. Cette percée promet de révolutionner le paysage de l’électronique, en permettant des ordinateurs traditionnels plus rapides et en offrant un nouveau matériau pour les futurs ordinateurs quantiques.

La recherche, publiée le 3 janvier dans Nature et dirigée par Walt de Heer , professeur de physique à Georgia Tech, se concentre sur l’exploitation du graphène épitaxial , une structure cristalline de carbone liée chimiquement au carbure de silicium (SiC). Ce nouveau matériau semi-conducteur, appelé graphène épitaxial semi-conducteur (SEC) – ou encore épigraphène – possède une mobilité électronique améliorée par rapport à celle du silicium traditionnel, permettant aux électrons de traverser avec beaucoup moins de résistance. Le résultat est des transistors capables de fonctionner à des fréquences térahertz , offrant des vitesses 10 fois supérieures à celles des transistors à base de silicium utilisés dans les puces actuelles.

Walt De Heer décrit la méthode utilisée comme une version modifiée d’une technique extrêmement simple connue depuis plus de 50 ans. « Lorsque le carbure de silicium est chauffé bien au-dessus de 1 000 °C, le silicium s’évapore de la surface, laissant une surface riche en carbone qui se transforme ensuite en graphène », explique Walt de Heer.

Cette étape de chauffage se fait avec un tube de quartz argon dans lequel un empilement de deux puces de SiC est placé dans un creuset en graphite, selon Walt de Heer. Ensuite, un courant haute fréquence traverse une bobine de cuivre autour du tube de quartz, qui chauffe le creuset en graphite par induction. Le processus prend environ une heure. 

Walt De Heer a ajouté que le SEC produit de cette manière est essentiellement neutre en charge et qu’une fois exposé à l’air, il sera spontanément dopé par l’oxygène. Ce dopage à l’oxygène s’élimine facilement en le chauffant à environ 200 °C sous vide.

« Les copeaux que nous utilisons coûtent environ 10 dollars, le creuset environ 1 dollar et le tube de quartz environ 10 dollars », souligne Walt de Heer.

Si l’on sait depuis 2008 qu’il est possible de faire en sorte que le graphène se comporte comme un semi-conducteur en le chauffant sous vide avec du SiC, c’est la méthode développée par de Heer qui fait la différence au niveau de la bande interdite.« Si cela est fait correctement, en utilisant la méthode modifiée décrite ci-dessus, alors la liaison est très régulière et la mobilité est très grande, comme nous l’avons montré dans l’article », explique Walt de Heer.

Les semi-conducteurs, composants essentiels de tout appareil électronique, présentent les propriétés des conducteurs et des isolants. Cependant, le silicium, matériau prédominant pour les semi-conducteurs , atteint ses limites en termes de vitesse, de génération de chaleur et de miniaturisation. Walt De Heer souligne que les progrès rapides observés tout au long de l’histoire de l’informatique ralentissent en raison de ces contraintes imposées au silicium.

Le graphène, une seule couche d’atomes de carbone disposés dans un réseau hexagonal, apparaît comme un conducteur supérieur au silicium, facilitant un mouvement plus efficace des électrons à travers le matériau. Malgré ces avantages, les tentatives précédentes d’intégration du graphène dans l’électronique se sont heurtées à des difficultés en raison de l’absence de bande interdite , un facteur critique pour l’activation et la désactivation des transistors.

Des travaux ont duré une décennie pour développer des opportunités fonctionnelles avec le graphène, qui impliquent de lier chimiquement des atomes au graphène afin qu’il présente une bande interdite. De Heer note que les méthodes précédentes aboutissaient à un graphène semi-conducteur à faible mobilité en raison de divers problèmes liés à sa composition chimique ou mécanique.

Par exemple, les rubans de graphène ont été considérés comme prometteurs, mais ils ne sont que semi-conducteurs avec des largeurs très spécifiques et des bords de fauteuil inversement proportionnels à la largeur du ruban. Ces rubans sont mieux fabriqués par des moyens chimiques et doivent finalement être déposés avec précision sur le substrat, puis interconnectés avec des fils métalliques.

« Les nanorubans de graphène ont connu un certain succès, mais en principe, cette technologie est très similaire à la technologie des nanotubes de carbone semi-conducteurs qui n’a pas connu de succès après 30 ans de recherche sur les nanotubes », explique Walt de Heer.

Une autre méthode utilisée pour donner une bande interdite au graphène consiste à créer des rides dans le matériau. Les déformations mécaniques ouvriront une bande interdite, et des bandes interdites allant jusqu’à 0,2 électron-volt ont été démontrées. (À titre de comparaison, le silicium a une bande interdite de 1,12 eV, ce qui est nettement plus grand.) La petite bande interdite rend difficile la manière dont ces matériaux pourraient être utilisés dans des applications, tandis que le manque relatif d’informations sur leurs mobilités ajoute une autre complication.

« Notre recherche se distingue de ces autres approches car nous avons produit de vastes zones de SEC semi-conducteur sur des terrasses SiC atomiquement plates et sans défauts », précise Walt de Heer. « Le SiC est un matériau électronique hautement développé et facilement disponible, entièrement compatible avec les méthodes de traitement microélectronique conventionnelles. »

En élaborant sur les applications potentielles de leur avancée, les chercheurs ont noté que les semi-conducteurs à base de graphène pourraient jouer un rôle central dans l’informatique quantique . Cela est dû au fait que lorsque le graphène est utilisé dans des dispositifs à très basse température, ses électrons présentent des propriétés ondulatoires de mécanique quantique similaires à celles observées dans la lumière.

« L’un des principaux aspects de l’électronique au graphène est que nous pouvons utiliser les propriétés d’onde de la mécanique quantique des électrons et des trous [électroniques] qui ne sont pas accessibles dans l’électronique au silicium », explique Walt de Heer. « Si cela est possible, cela constitue un changement de paradigme en électronique. »

Walt De Heer et son équipe de recherche admettent cependant que des recherches plus approfondies sont nécessaires pour déterminer si les semi-conducteurs à base de graphène peuvent surpasser la technologie supraconductrice actuelle utilisée dans les ordinateurs quantiques avancés.

L’équipe de Georgia Tech n’envisage pas d’incorporer des semi-conducteurs à base de graphène avec des lignes standard de silicium ou de semi-conducteurs composés. Au lieu de cela, ils visent un changement de paradigme au-delà du silicium, en utilisant le carbure de silicium. Ils développent des méthodes, telles que le revêtement du SEC avec du nitrure de bore, pour protéger et améliorer sa compatibilité avec les lignes semi-conductrices conventionnelles.

En comparant leur travail avec les transistors à effet de champ au graphène (GFET) disponibles dans le commerce, de Heer explique qu’il existe une différence cruciale : « Les GFET conventionnels n’utilisent pas de graphène semi-conducteur, ce qui les rend impropres à l’électronique numérique nécessitant un arrêt complet du transistor . » Il affirme que le SEC développé par son équipe permet un arrêt complet, répondant ainsi aux exigences strictes de l’électronique numérique.

Walt De Heer estime qu’il faudra du temps pour développer cette technologie. « Je compare ce travail au premier vol de 100 mètres des frères Wright. Cela dépendra principalement de la quantité de travail qui sera effectuée pour le développer.

https://spectrum.ieee.org/graphene-semiconductor

https://news.gatech.edu/news/2024/01/03/researchers-create-first-functional-semiconductor-made-graphene