Développement du premier ordinateur 2D sans silicium au monde

Cette illustration conceptuelle d'un ordinateur basé sur des molécules 2D présente une image réelle de l'ordinateur obtenue au microscope électronique à balayage, réalisée par une équipe de chercheurs de Penn State. Le clavier comporte des touches surlignées portant les abréviations de bisulfure de molybdène et de diséléniure de tungstène, deux matériaux 2D utilisés pour la fabrication des transistors de l'ordinateur.   Crédit : Krishnendu Mukhopadhyay/Penn State . Tous droits réservés .

UNIVERSITY PARK, Pennsylvanie — Le silicium est roi dans la technologie des semi-conducteurs qui sous-tend les smartphones, les ordinateurs, les véhicules électriques et bien d'autres choses encore, mais sa couronne pourrait bien lui échapper, selon une équipe dirigée par des chercheurs de Penn State. En première mondiale, ils ont utilisé des matériaux bidimensionnels (2D), qui ne font qu'un atome d'épaisseur et conservent leurs propriétés à cette échelle, contrairement au silicium, pour développer un ordinateur capable d'effectuer des opérations simples.

Ce développement, publié aujourd'hui (11 juin) dans  Nature , représente une avancée majeure vers la réalisation d'électronique plus fine, plus rapide et plus économe en énergie, ont déclaré les chercheurs. Ils ont créé un ordinateur CMOS (complémentaire métal-oxyde-semiconducteur) – technologie au cœur de presque tous les appareils électroniques modernes – sans recourir au silicium. Ils ont plutôt utilisé deux matériaux 2D différents pour développer les deux types de transistors nécessaires au contrôle du flux de courant électrique dans les ordinateurs CMOS : le bisulfure de molybdène pour les transistors de type n et le diséléniure de tungstène pour les transistors de type p.

« Le silicium a permis des avancées remarquables en électronique depuis des décennies en permettant la miniaturisation continue des transistors à effet de champ (FET) », a déclaré  Saptarshi Das , professeur d'ingénierie Ackley et professeur de sciences de l'ingénieur et de mécanique à Penn State, qui a dirigé la recherche. Les FET contrôlent le flux de courant grâce à un champ électrique produit lors de l'application d'une tension. « Cependant, à mesure que les dispositifs en silicium rétrécissent, leurs performances commencent à se dégrader. Les matériaux bidimensionnels, en revanche, conservent leurs propriétés électroniques exceptionnelles à l'épaisseur atomique, ce qui ouvre une voie prometteuse. »

Das a expliqué que la technologie CMOS nécessite la combinaison de semi-conducteurs de type n et de type p pour atteindre des performances élevées avec une faible consommation d'énergie – un défi majeur qui a freiné les efforts visant à dépasser le silicium. Bien que des études antérieures aient démontré la mise au point de circuits compacts à base de matériaux 2D, la transposition à des ordinateurs complexes et fonctionnels restait difficile, a déclaré Das.

« C'est l'avancée clé de nos travaux », a déclaré Das. « Nous avons présenté, pour la première fois, un ordinateur CMOS entièrement construit à partir de matériaux 2D, combinant des transistors en bisulfure de molybdène et en diséléniure de tungstène de grande surface. »

Subir Ghosh (à gauche) et Saptarshi Das (à droite) ont dirigé une équipe chargée du développement d'un ordinateur à semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire, sans silicium, capable d'opérations simples. Entre eux, une image microscopique de l'ordinateur fabriqué.   Crédit : Penn State . Creative Commons

L'équipe a utilisé le dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD), un procédé de fabrication qui consiste à vaporiser des ingrédients, à forcer une réaction chimique et à déposer les produits sur un substrat, pour développer de grandes feuilles de bisulfure de molybdène et de diséléniure de tungstène et fabriquer plus de 1 000 transistors de chaque type. En ajustant soigneusement les étapes de fabrication et de post-traitement du dispositif, ils ont pu ajuster les tensions de seuil des transistors de type n et p, permettant ainsi la construction de circuits logiques CMOS entièrement fonctionnels.

« Notre ordinateur CMOS 2D fonctionne à de faibles tensions d'alimentation avec une consommation d'énergie minimale et peut effectuer des opérations logiques simples à des fréquences allant jusqu'à 25 kilohertz », a déclaré le premier auteur Subir Ghosh, un doctorant poursuivant un diplôme en sciences de l'ingénieur et en mécanique sous le mentorat de Das.

Ghosh a noté que la fréquence de fonctionnement est faible par rapport aux circuits CMOS en silicium conventionnels, mais leur ordinateur - connu sous le nom d'ordinateur à un seul jeu d'instructions - peut toujours effectuer des opérations logiques simples.

« Nous avons également développé un modèle informatique, calibré à partir de données expérimentales et intégrant des variations entre les appareils, afin de projeter les performances de notre ordinateur CMOS 2D et de le comparer aux technologies silicium de pointe », a déclaré Ghosh. « Bien qu'il reste encore des possibilités d'optimisation, ce travail marque une étape importante dans l'exploitation des matériaux 2D pour faire progresser l'électronique. »

Das a acquiescé, expliquant que davantage de travail est nécessaire pour développer davantage l'approche informatique CMOS 2D pour une utilisation à grande échelle, mais soulignant également que le domaine évolue rapidement par rapport au développement de la technologie du silicium.

« La technologie du silicium est en développement depuis environ 80 ans, mais la recherche sur les matériaux 2D est relativement récente, n'ayant véritablement débuté qu'aux alentours de 2010 », a déclaré Das. « Nous pensons que le développement des ordinateurs 2D utilisant des matériaux sera lui aussi progressif, mais il s'agit d'un bond en avant par rapport à la trajectoire du silicium. »

https://www.psu.edu/news/research/story/worlds-first-2d-non-silicon-computer-developed