Un seul cristal 2D devient un transistor, en laboratoire

Depuis plus de vingt ans, les chercheurs espèrent que les semi-conducteurs d'épaisseur atomique pourront prendre le relais du silicium à mesure que les composants rétrécissent. L'obstacle tenait rarement au semi-conducteur lui-même, mais plutôt à tout ce qui l'entoure. À l'Institut des sciences de base (IBS), une équipe dirigée par Jo Moon-Ho, directeur du Centre pour les solides quantiques de van der Waals, vient de construire un transistor à partir d'un seul cristal en couches, en convertissant certaines de ces couches en l'isolant et les contacts dont le composant a besoin. Ces travaux sont publiés dans la revue Science.

Un transistor requiert trois matériaux différents : un semi-conducteur pour faire circuler le courant, une couche isolante pour le contrôler, et des contacts métalliques par lesquels le courant entre et sort. La surface d'un semi-conducteur 2D offre peu de sites auxquels d'autres matériaux peuvent se fixer ; un isolant uniforme est donc difficile à déposer, et le dépôt direct de métal peut endommager la fine couche ou créer des barrières qui réduisent les performances. Le décollement et l'empilement des matériaux 2D séparés, un à un, fonctionnent en laboratoire, mais se prêtent mal à une mise à l'échelle sur de grandes surfaces.

L'équipe de l'IBS a utilisé le cristal lui-même comme seul matériau de départ. Elle a commencé par le diséléniure de tungstène (WSe₂), dont le comportement électrique change lorsque certains des atomes entourant la couche de tungstène sont remplacés. Les couches supérieures ont été oxydées en oxyde de tungstène isolant, qui se trouve directement au-dessus du canal et sert de diélectrique de grille, avec une épaisseur effective inférieure à 1 nanomètre. D'autres zones ont été converties en ditelluride de tungstène (WTe₂), un semi-métal utilisé pour les contacts, tandis que les zones non converties ont conservé leurs propriétés semi-conductrices. La réaction peut être arrêtée après un nombre choisi de couches, à raison d'environ 0,7 nanomètre par monocouche de WSe₂.

Dans les dispositifs de test, une variation de seulement 61,3 millivolts de la tension de grille a fait croître le courant d'un facteur dix, proche de la limite théorique à température ambiante d'environ 60 millivolts par décade, et le rapport courant on/off a dépassé 10 millions. Les contacts en WTe₂ ont réduit la barrière d'injection de charges à environ un tiers de celle observée avec des contacts directs en platine. L'équipe a également construit des transistors MoS₂ de type n à l'aide du même oxyde, puis a associé transistors de type p et de type n en un inverseur complémentaire, brique élémentaire de la logique numérique, et a montré que la tension s'inversait comme attendu.

Pour les concepteurs de puces, la promesse est une voie vers ce que Jo appelle des dispositifs semi-conducteurs à très faible consommation, ultra-miniaturisés et intégrés verticalement. Le premier bénéfice reviendrait aux chercheurs travaillant sur l'électronique 2D, car la méthode évite l'étape de décollement et d'empilement que l'équipe décrit comme peu adaptée à la production de masse. L'étude ne fixe ni calendrier, ni procédé de production, ni test sur grande surface. Ses résultats proviennent de dispositifs individuels fabriqués en laboratoire, et leur transformation en circuits fabriqués reste une étape distincte.