Une étude améliore la compréhension d’un candidat probable pour les puces de nouvelle génération

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.

Les chercheurs du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l’énergie (DOE) 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.

Khalid, en collaboration avec Bharat Medasani du PPPL et Anderson Janotti de l’Université du Delaware, ont étudié un substitut potentiel au silicium : un matériau 2D connu sous le nom de dichalcogénure de métal de transition (TMD). Leur article, publié 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 permettent de préparer le terrain pour affiner les processus nécessaires à la création de puces informatiques de nouvelle génération. L’objectif ultime est de concevoir des systèmes de fabrication à base de plasma capables de créer des semi-conducteurs à base de TMD fabriqués selon les spécifications précises requises pour l’application.

TMD : Un petit sandwich métallique

Un TMD peut être aussi fin que trois atomes de haut. Imaginez-le comme un petit sandwich métallique. Le pain est composé d’un élément chalcogène : oxygène, soufre, sélénium ou tellure. Le remplissage est une couche de métal de transition, c’est-à-dire 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 décelées dans le motif. Il peut manquer un atome à un endroit du motif ou 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 pour former 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 avoir un impact sur la charge électrique du matériau.

Les chercheurs ont découvert que l’une des configurations défectueuses impliquant l’hydrogène fournit un excès d’électrons, ce qui crée un matériau semi-conducteur chargé négativement, connu sous le nom de type N. Les puces informatiques sont fabriquées à l’aide de combinaisons de matériaux semi-conducteurs de type N et de matériaux chargés positivement, ou de type P.

Faire la lumière sur les chalcogènes manquants

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 éclairer le TMD, ont montré des fréquences lumineuses inattendues provenant du TMD. Ces fréquences inattendues, ont découvert les chercheurs, pourraient s’expliquer par le mouvement des électrons lié à la lacune du 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 contient 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.