Le graphène semi-conducteur permet la création de transistors en vue de l’intégration de puces de silicium

Du graphène semi-conducteur bien ordonné avec une bande interdite a été cultivé à la surface du carbure de silicium par des chercheurs en Chine et aux États-Unis. L’équipe a ensuite pu utiliser cette combinaison inhabituelle de propriétés du graphène pour produire un transistor. Ces travaux pourraient conduire à une intégration directe entre l’électronique au silicium et les circuits haute puissance.

Les physiciens tentent depuis des années d’utiliser la remarquable mobilité électronique du graphène dans l’électronique de nouvelle génération, mais ils sont constamment paralysés par l’absence totale de bande interdite. Cela signifie que dans le transistor – le composant fondamental du circuit électronique numérique – le courant circulerait incroyablement vite à l’état passant, mais serait impossible à désactiver. Ils expérimentent donc d’autres matériaux 2D comme le bisulfure de molybdène qui ont des bandes interdites, mais des mobilités électroniques bien inférieures.

Le carbure de silicium a une bande interdite autour de 3eV. Lorsqu’il est chauffé à des températures élevées, certains atomes de silicium se subliment, laissant une couche « d’épigraphène » à la surface. Celui-ci a une bande interdite étroite de 0,6 eV en raison des interactions avec le substrat. Malheureusement, sa mobilité électronique est normalement très faible, car les atomes de silicium manquants en dessous conduisent à un environnement de liaison désordonné. «Il faut avoir une structure périodique pour soutenir cette propriété semi-conductrice – c’est une propriété fondamentale des matériaux», explique Walt de Heer du Georgia Institute of Technology aux États-Unis. « Si vous ordonnez davantage le matériel, vous obtenez une bande interdite mieux définie et vos mobilités augmentent. »

De Heer et ses collègues dirigés par Lei Ma de l’Université de Tianjin en Chine ont développé une technique alternative dans laquelle deux puces en carbure de silicium sont placées parallèlement l’une à l’autre, le plan de silicium de l’une faisant face au plan de carbone de l’autre. Lorsqu’ils chauffaient le système, les atomes de silicium se sublimaient de la face en silicium et formaient un film sur la face en carbone. Les atomes de carbone déplacés de la face en carbone ont été transférés vers la face en silicium, où ils ont formé une couche d’épigraphène bien ordonnée et uniformément liée avec une mobilité électronique à température ambiante 10 fois supérieure à celle du silicium, 20 fois celle des autres semi-conducteurs 2D et 5 500 fois. supérieur à l’épigraphène produit de manière conventionnelle. Lorsque les chercheurs ont intégré leur matériau dans un transistor, ils ont constaté que la mobilité électronique était divisée par 200. Ils pensent que cela est dû au fait que d’autres éléments de la structure n’étaient pas optimisés et ils s’efforcent désormais de le faire.

Andrea Ferrari du Graphene Center de l’Université de Cambridge est sceptique quant à la valeur significative de ces travaux pour l’électronique post-silicium. «Le problème est que ce graphène semi-conducteur n’existe qu’en raison de la liaison qui existe sur le carbure de silicium entre la couche tampon et le substrat», explique-t-il. « Au moment où vous essayez de le décoller, il retrouvera en grande partie ses propriétés d’origine, ce ne sera donc plus (un semi-conducteur). » Il ajoute cependant que l’intérêt pour les semi-conducteurs à large bande interdite comme le carbure de silicium « explose véritablement » grâce à son importance dans des dispositifs tels que les véhicules électriques, mais que le carbure de silicium n’est pas directement intégrable au silicium. Ce travail, dit-il, montre « à quoi pourrait ressembler l’avenir ».

De Heer est cependant convaincu que leur épigraphène pourrait être précieux en électronique. «Nous avons rédigé un article il y a des années sur la manière d’intégrer le graphène au silicium en utilisant la technique bien établie du silicium sur isolant», explique-t-il. « Vous prenez une couche de silicium extrêmement fine et vous la posez sur la couche de graphène, vous avez donc une électronique en silicium sur le dessus qui contrôle essentiellement le graphène, et en dessous se trouve du carbure de silicium. » Selon lui, cela pourrait leur permettre d’exploiter les avantages de l’épigraphène pour aller au-delà du silicium sans avoir besoin de le retirer du substrat.