Les propriétés exceptionnelles d'un nouveau transistor pourraient avoir de vastes applications électroniques
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Ce matériau ultrafin dont les propriétés « satisfont ou dépassent déjà les normes de l'industrie » permet une commutation ultra-rapide et une durabilité extrême.
En 2021, une équipe dirigée par des physiciens du MIT a annoncé avoir créé un nouveau matériau ferroélectrique ultrafin, c'est-à-dire un matériau dans lequel les charges positives et négatives se séparent en différentes couches. À l'époque, ils avaient noté le potentiel du matériau pour des applications dans la mémoire informatique et bien plus encore. Aujourd'hui, la même équipe et ses collègues, dont deux du laboratoire voisin, ont construit un transistor avec ce matériau et ont montré que ses propriétés sont si utiles qu'il pourrait changer le monde de l'électronique.
Bien que les résultats de l'équipe soient basés sur un seul transistor fabriqué en laboratoire, « à plusieurs égards, ses propriétés sont déjà conformes ou supérieures aux normes industrielles » pour les transistors ferroélectriques produits aujourd'hui, explique Pablo Jarillo-Herrero, professeur de physique Cecil et Ida Green, qui a dirigé les travaux avec le professeur de physique Raymond Ashoori. Tous deux sont également affiliés au Laboratoire de recherche sur les matériaux.
« Dans mon laboratoire, nous faisons principalement de la physique fondamentale. C’est l’un des premiers exemples, et peut-être le plus spectaculaire, de la façon dont la science la plus fondamentale a conduit à quelque chose qui pourrait avoir un impact majeur sur les applications », explique Jarillo-Herrero.
Raymond Ashoori déclare : « Quand je pense à toute ma carrière en physique, c’est ce travail qui, selon moi, pourrait changer le monde d’ici 10 à 20 ans. »
Parmi les propriétés superlatives du nouveau transistor :
- Il peut basculer entre des charges positives et négatives (essentiellement les uns et les zéros de l'information numérique) à des vitesses très élevées, à l'échelle de la nanoseconde (une nanoseconde correspond à un milliardième de seconde).
- C'est extrêmement résistant. Après 100 milliards de commutations, il fonctionnait toujours sans aucun signe de dégradation.
- Le matériau à l'origine de cette magie ne mesure que quelques milliardièmes de mètre d'épaisseur, ce qui en fait l'un des plus fins de sa catégorie au monde. Cela pourrait permettre une plus grande densité de stockage dans les mémoires informatiques. Cela pourrait également conduire à des transistors beaucoup plus économes en énergie, car la tension requise pour la commutation est proportionnelle à l'épaisseur du matériau. (Ultramince équivaut à des tensions ultra-faibles.)
Les travaux ont été publiés dans un numéro récent de la revue Science . Les co-auteurs principaux de l'article sont Kenji Yasuda, aujourd'hui professeur adjoint à l'université Cornell, et Evan Zalys-Geller, actuellement à Atom Computing. Les autres auteurs sont Xirui Wang, étudiant diplômé en physique au MIT ; Daniel Bennett et Efthimios Kaxiras de l'université Harvard ; Suraj S. Cheema, professeur adjoint au département de génie électrique et d'informatique du MIT et affilié au laboratoire de recherche en électronique ; et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon.
Ce qu'ils ont fait
Dans un matériau ferroélectrique, les charges positives et négatives se dirigent spontanément vers des côtés ou des pôles différents. Lors de l'application d'un champ électrique externe, ces charges changent de côté, inversant la polarisation. L'inversion de polarisation peut être utilisée pour coder des informations numériques, et ces informations seront non volatiles, ou stables dans le temps. Elles ne changeront pas à moins qu'un champ électrique ne soit appliqué. Pour qu'un ferroélectrique ait une large application en électronique, tout cela doit se produire à température ambiante.
Le nouveau matériau ferroélectrique présenté dans Science en 2021 est basé sur des feuilles atomiquement minces de nitrure de bore empilées parallèlement les unes aux autres, une configuration qui n'existe pas dans la nature. Dans le nitrure de bore en vrac, les couches individuelles de nitrure de bore sont au contraire tournées de 180 degrés.
Il s’avère que lorsqu’un champ électrique est appliqué à cette configuration empilée en parallèle, une couche du nouveau matériau à base de nitrure de bore glisse sur l’autre, modifiant légèrement la position des atomes de bore et d’azote. Par exemple, imaginez que chacune de vos mains ne soit composée que d’une seule couche de cellules. Le nouveau phénomène s’apparente à celui de presser vos mains l’une contre l’autre, puis de les décaler légèrement l’une au-dessus de l’autre.
« Le miracle, c’est qu’en faisant glisser les deux couches de quelques angströms, on obtient une électronique radicalement différente », explique Raymond Ashoori. Le diamètre d’un atome est d’environ 1 angström.
Autre miracle : « rien ne s’use lors du glissement », poursuit Raymond Ashoori. C’est pourquoi le nouveau transistor pourrait être commuté 100 milliards de fois sans se dégrader. Comparez cela à la mémoire d’une clé USB fabriquée avec des matériaux conventionnels. « Chaque fois que vous écrivez et effacez une mémoire flash, vous obtenez une certaine dégradation », explique Raymond Ashoori. « Au fil du temps, elle s’use, ce qui signifie que vous devez utiliser des méthodes très sophistiquées pour répartir les endroits où vous lisez et écrivez sur la puce. » Le nouveau matériau pourrait rendre ces étapes obsolètes.
Un effort collaboratif
Yasuda, co-auteur principal de l’article publié dans Science , salue les collaborations qui ont permis de réaliser ce travail. « Nous [l’équipe de Jarillo-Herrero] avons fabriqué le matériau et, avec Ray [Ashoori] et [le co-auteur principal] Evan [Zalys-Geller], nous avons mesuré ses caractéristiques en détail. C’était très passionnant. » Raymond Ashoori déclare : « De nombreuses techniques utilisées dans mon laboratoire se sont naturellement appliquées aux travaux menés dans le laboratoire voisin. Cela a été très amusant. »
Il note qu'il y a « beaucoup de physique intéressante derrière tout cela » qui pourrait être explorée. Par exemple, « si vous pensez aux deux couches qui glissent l'une sur l'autre, où commence ce glissement ? » De plus, dit Kenji Yasuda, la ferroélectricité pourrait-elle être déclenchée par autre chose que l'électricité, comme une impulsion optique ? Et existe-t-il une limite fondamentale au nombre de commutations que le matériau peut effectuer ?
Il reste des défis à relever. Par exemple, la méthode actuelle de production des nouveaux ferroélectriques est difficile et peu propice à la production en masse. « Nous avons fabriqué un seul transistor à titre de démonstration. Si les gens pouvaient faire pousser ces matériaux à l’échelle d’une plaquette, nous pourrions en créer beaucoup, beaucoup plus », explique Kenji Yasuda. Il note que différents groupes travaillent déjà dans ce sens.
Ray Ashoori conclut : « Il y a quelques problèmes. Mais si on les résout, ce matériau s'intègre de nombreuses façons dans les futurs appareils électroniques. C'est très enthousiasmant. »
Ce travail a été soutenu par le Bureau de recherche de l'armée américaine, le Fonds de recherche Samsung Semiconductor du MIT/Microsystems Technology Laboratories, la National Science Foundation des États-Unis, la Fondation Gordon et Betty Moore, la Fondation Ramon Areces, le programme Basic Energy Sciences du Département américain de l'énergie, la Société japonaise pour la promotion de la science et le ministère de l'Éducation, de la Culture, des Sports, de la Science et de la Technologie (MEXT) du Japon.