Représentation artistique d'un atome de chalcogène manquant dans la couche intermédiaire d'un dichalcogénure de métal de transition. Crédit : Kyle Palmer / Département des communications de PPPL
De nouvelles recherches améliorent notre compréhension d’un candidat probable pour les puces informatiques de nouvelle génération.
Les scientifiques du laboratoire de physique des plasmas de Princeton font progresser la technologie des semi-conducteurs en développant des matériaux plus fins et plus efficaces appelés dichalcogénures de métaux de transition (TMD). Ces matériaux, d'une épaisseur de quelques atomes seulement, pourraient permettre de fabriquer des puces informatiques plus compactes et plus puissantes. Les recherches portent également sur le rôle des défauts présents dans ces matériaux, qui peuvent affecter leurs propriétés électriques et potentiellement améliorer leur fonctionnalité.
L'évolution des puces informatiques
Les puces informatiques en silicium nous rendent de grands services depuis plus d’un demi-siècle. Les plus petites caractéristiques des puces actuellement vendues mesurent environ 3 nanomètres, une taille étonnamment petite si l’on considère qu’un cheveu humain mesure environ 80 000 nanomètres de large. Réduire la taille des caractéristiques des puces nous aidera à répondre à notre besoin constant de davantage de mémoire et de puissance de traitement dans la paume de notre main. Mais la limite de ce qui peut être réalisé avec des matériaux et des procédés standards est proche.
Des avancées dans le domaine des matériaux pour puces électroniques
Des chercheurs du département américain de ÉnergieLaboratoire de physique des plasmas de Princeton (DOE) (PPPL) appliquent leur expertise en physique, en chimie et en modélisation informatique pour créer la prochaine génération de puces informatiques, en visant des processus et des matériaux qui produiront des puces avec des caractéristiques plus petites.
« Tous nos appareils électroniques actuels utilisent des puces constituées de silicium, un matériau tridimensionnel. Aujourd’hui, de nombreuses entreprises investissent massivement dans des puces constituées de matériaux bidimensionnels », explique Shoaib Khalid, physicien de recherche associé au PPPL. Ces matériaux existent en réalité en trois dimensions, mais ils sont si fins – souvent constitués de quelques couches d’atomes seulement – que les scientifiques ont pris l’habitude de les appeler 2D.
Dichalcogénures de métaux de transition : semi-conducteurs de nouvelle génération
Khalid, en collaboration avec Bharat Medasani du PPPL et Anderson Janotti de l'Université du Delaware, a étudié un remplacement potentiel du silicium : un matériau 2D connu sous le nom de dichalcogénure de métal de transition (TMD).
Leur nouveau papierpublié dans la revue Matériaux 2Ddétaille les variations qui peuvent se produire dans la structure atomique des TMD, pourquoi elles se produisent et comment elles affectent le matériau. Les informations sur ces variations jettent les bases du perfectionnement des processus nécessaires à la création de puces informatiques de nouvelle génération.
En fin de compte, l’objectif est de concevoir plasmasystèmes de fabrication basés sur TMD qui peuvent créer des systèmes basés sur TMD semi-conducteurs fabriqué selon les spécifications précises requises pour l'application.
TMD : un petit sandwich métallique
Un TMD peut être aussi fin que trois atomes de haut. Pensez-y comme à un petit sandwich métallique. Le pain est fait d'un élément chalcogène : oxygène, soufre, sélénium ou tellure. Le remplissage est une couche de métal de transition – n'importe quel métal des groupes 3 à 12 du tableau périodique des éléments. Un TMD en vrac comporte cinq couches d'atomes ou plus. Les atomes sont disposés dans une structure cristalline ou un réseau. Idéalement, les atomes sont organisés selon un motif précis et cohérent dans tout le réseau. En réalité, de petites altérations peuvent être trouvées dans le motif. Un point du motif peut manquer atomeou un atome peut se trouver à un endroit étrange. Les scientifiques appellent ces altérations des défauts, mais elles peuvent avoir un impact bénéfique sur le matériau.
Certains défauts des TMD, par exemple, peuvent rendre le semi-conducteur plus conducteur d'électricité. Que ce soit pour le meilleur ou pour le pire, il est essentiel que les scientifiques comprennent pourquoi les défauts se produisent et comment ils affecteront le matériau afin de pouvoir les intégrer ou les éliminer si nécessaire. La compréhension des défauts courants permet également aux chercheurs d'expliquer les résultats des expériences passées avec les TMD.
« Lorsque des TMD massifs sont fabriqués, ils contiennent des électrons en excès », a déclaré Khalid, ajoutant que les chercheurs ne savaient pas exactement pourquoi ces particules chargées négativement étaient présentes en excès. « Dans ce travail, nous expliquons que l’excès d’électrons peut être causé par l’hydrogène. »
Les chercheurs sont arrivés à cette conclusion après avoir calculé la quantité d'énergie nécessaire à la formation de différents types de défauts TMD. Ils ont étudié les défauts impliquant des lacunes de chalcogène, dont la présence était déjà connue dans les TMD, et les défauts impliquant de l'hydrogène, car cet élément est souvent présent lors du processus de fabrication des puces. Les chercheurs s'intéressent particulièrement à la découverte des défauts qui nécessitent une énergie de formation minimale, car ce sont ceux qui sont susceptibles de se produire : il ne faut pas beaucoup d'énergie pour qu'ils se produisent !
L'équipe a ensuite étudié le rôle de chacun des défauts à faible énergie de formation. Plus précisément, ils voulaient savoir comment chaque configuration de défaut pouvait affecter la charge électrique du matériau. Les chercheurs ont découvert que l'une des configurations de défaut impliquant l'hydrogène fournit un excès d'électrons, ce qui crée un matériau semi-conducteur chargé négativement, appelé type n. Les puces informatiques sont fabriquées à l'aide d'une combinaison de matériaux semi-conducteurs de type n et de matériaux chargés positivement, ou de type p.
Ce modèle montre l'endroit où les atomes de chalcogène manquants devraient se trouver, comme représenté par le cercle noir au centre d'un motif d'atomes par ailleurs intact. Cette vue donne sur la couche intermédiaire du TMD. Crédit : Shoaib Khalid, Bharat Medasani et Anderson Janotti / PPPL et l'Université du Delaware
Perspectives de recherche sur les postes vacants dans le domaine du chalcogène
L’autre type de défaut étudié dans l’article est connu sous le nom de lacune de chalcogène : un atome manquant d’oxygène, de soufre, de sélénium ou de tellure, selon le type de TMD. Les chercheurs se sont attachés à expliquer les résultats d’expériences passées sur des paillettes de disulfure de molybdène, un matériau TMD en vrac. Les expériences, qui consistaient à projeter de la lumière sur le TMD, ont montré des fréquences de lumière inattendues provenant du TMD. Ces fréquences inattendues, ont découvert les chercheurs, pourraient s’expliquer par le mouvement des électrons lié à la lacune de chalcogène.
« Il s’agit d’un défaut courant. On peut souvent le voir sur les images des microscopes à effet tunnel lorsqu’ils développent le film TMD », a déclaré Khalid. « Notre travail fournit une stratégie pour étudier la présence de ces lacunes dans les TMD en vrac. Nous avons expliqué les résultats expérimentaux antérieurs montrés dans le disulfure de molybdène, puis nous avons prédit une chose similaire pour d’autres TMD. »
Le procédé proposé par les chercheurs consiste à analyser le TMD à la recherche de défauts à l'aide de techniques de mesure appelées photoluminescence pour voir quelles fréquences de lumière sont émises par le matériau. La fréquence de pointe de la lumière peut être utilisée pour déterminer les configurations électroniques des atomes dans le TMD et la présence de défauts de chalcogène. L'article de la revue comprend des informations sur les fréquences qui seraient émises par cinq types de TMD avec des lacunes de chalcogène, y compris le disulfure de molybdène. Les résultats fournissent donc une ligne directrice pour l'étude des lacunes de chalcogène dans les expériences futures.
Ce travail a été soutenu par le DOE dans le cadre de la subvention DE-AC02-09CH11466 et de la subvention NSF #OIA-2217786. Les calculs ont été effectués au National Energy Research Scientific Computing Center (NESRC) dans le cadre du contrat numéro DE-AC02-05CH11231 en utilisant la subvention NERSC BES-ERCAP27253, l'amas Stellar de université de Princeton et le système informatique DARWIN de l'Université du Delaware, utilisant la subvention NSF 1919839.
