L’ordinateur CMOS 2D déclenche une nouvelle ère d’alternatives au silicium

Dans le monde de la technologie des semi-conducteurs, qui constitue la base de l’électronique moderne, le silicium (Si) est le matériau le plus utilisé.

Le deuxième élément le plus abondant sur Terre après l’oxygène, le silicium a permis des avancées dans la technologie des semi-conducteurs grâce à la miniaturisation. Des microprocesseurs à l’automatisation, des ordinateurs, des smartphones et des véhicules électriques, il a engendré des percées en électronique en réduisant considérablement la taille physique des appareils.

Mais aujourd’hui, les défis liés à la mise à l’échelle rendent nécessaire l’exploration de nouveaux matériaux. Les matériaux bidimensionnels (2D) montrent un potentiel pour des avancées sans précédent de la performance des dispositifs au niveau atomique.

Les matériaux 2D sont des nanomatériaux ultra-fins constitués d’une seule couche d’atomes. Ils présentent un haut degré d’anisotropie et de fonctionnalité chimique, et leurs propriétés électroniques attrayantes les rendent utilisables dans un large éventail d’applications. Le graphène est un matériau 2D populaire. 

Ainsi, grâce à leur épaisseur atomique et à leur haute mobilité des porteurs, les matériaux 2D offrent une alternative prometteuse. Des progrès significatifs ont également été réalisés dans la croissance à l’échelle du wafer, les transistors à effet de champ (FET) haute performance et les circuits basés sur ces matériaux.

Le FET est un type de transistor qui utilise un champ électrique pour contrôler le courant à travers un semi-conducteur. Servant de composant électronique crucial dans l’électronique moderne, un FET agit comme un commutateur contrôlé dans les circuits d’alimentation à haute tension et haute fréquence.

Bien que de nombreux progrès aient été réalisés, l’intégration du complémentaire métal-oxyde-semiconducteur (CMOS) reste un défi. 

Le CMOS est un type de technologie utilisé dans la fabrication de circuits intégrés, en particulier dans les processeurs d’ordinateur, les puces mémoire et d’autres dispositifs numériques. Il aide à réguler le flux d’électricité à travers ces composants, ce qui est crucial pour leur bon fonctionnement.

Notamment, le CMOS utilise à la fois des transistors de type n (NMOS) et de type p (PMOS) de manière complémentaire pour réaliser des fonctions logiques. 

Les transistors de type n conduisent l’électricité en utilisant des électrons chargés négativement comme porteurs de charge principaux et permettent le flux de courant. Dans les transistors de type p, la majorité des porteurs de charge sont des trous (charges positives), et ils permettent au courant de circuler de l’alimentation vers la sortie.

Dans le CMOS, métal-oxyde-semiconducteur fait référence aux matériaux utilisés dans la construction des transistors : le métal pour la grille, l’oxyde pour l’isolation, et le semi-conducteur de silicium pour le canal. 

Ce qui rend le CMOS puissant, c’est qu’il permet la création de circuits électroniques complexes sur une seule puce semi-conductrice. De plus, les transistors CMOS consomment moins d’énergie comparés à d’autres technologies, car ils ne consomment de l’énergie que lors du passage d’un état à l’autre (marche/arrêt). En outre, les circuits CMOS sont reconnus pour leur grande fiabilité.

Aujourd’hui, des chercheurs de Penn State ont surmonté le défi d’intégrer le CMOS avec des matériaux 2D. 

Ce qu’ils ont réalisé, c’est le développement d’un ordinateur à jeu d’instructions unique 2D basé sur la technologie CMOS. Il tire parti de l’intégration hétérogène de transistors à effet de champ de type n à grande surface en MoS2 et de type p en WSe2.

L’équipe a pu atteindre des courants de conduite élevés et réduire les fuites en sous-seuil en ajustant les tensions de seuil pour les transistors 2D de type n et p. Cela a été réalisé en réduisant la longueur du canal, pour laquelle ils ont incorporé un diélectrique de grille à haute constante diélectrique (high‑κ) et optimisé la croissance du matériau ainsi que le post‑traitement des dispositifs.

Cela a permis le fonctionnement du circuit en dessous de 3 V avec une fréquence d’opération allant jusqu’à 25 kHz ainsi qu’une consommation d’énergie ultra‑faible dans la gamme du picowatt et une énergie de commutation d’environ 100 pJ.

L’ordinateur CMOS 2D de Penn State repousse la limite atomique

Le silicium est le leader de la technologie des semi-conducteurs, mais contrairement à cet élément chimique, les matériaux 2D d’une épaisseur d’un atome peuvent conserver leurs propriétés à cette échelle.

Après avoir conduit « des avancées remarquables en électronique pendant des décennies en permettant la miniaturisation continue des transistors à effet de champ (FET) », le silicium fait face à un défi majeur pour rendre les dispositifs encore meilleurs et plus petits. 

« À mesure que les dispositifs en silicium se réduisent, leurs performances commencent à se détériorer », a noté le responsable de l’étude, Saptarshi Das, professeur Ackley d’ingénierie et professeur de sciences et mécanique de l’ingénierie à Penn State.

En revanche, les matériaux 2D conservent leurs propriétés électroniques exceptionnelles même à l’épaisseur atomique, offrant ainsi « une voie prometteuse ». Ainsi, dans ce travail pionnier, l’équipe de chercheurs a utilisé des matériaux 2D pour développer un ordinateur capable d’opérations simples.

Publié dans Nature¹, l’étude, soutenue en partie par l’Office of Naval Research, l’Army Research Office et la National Science Foundation des États‑Unis, détaillait le grand bond réalisé vers des électroniques plus minces, plus rapides et plus économes en énergie.

Comme indiqué ci‑dessus, ils ont créé un ordinateur CMOS sans dépendre du silicium, un métalloïde tétravalent présentant des propriétés intermédiaires entre les métaux et les non‑métaux. Les chercheurs l’ont remplacé par deux matériaux 2D différents afin de développer les deux types de transistors requis dans les ordinateurs CMOS pour contrôler le flux électrique.

Pour les transistors de type n, ils ont utilisé le disulfure de molybdène (MoS2), une classe de dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) 2D inorganiques offrant un faible coefficient de frottement, une excellente stabilité thermique et une haute résistance à l’usure, sous certaines conditions. 

Pour les transistors de type p, le diséléniure de tungstène (WSe2) est utilisé. Ce composé inorganique possède une structure cristalline hexagonale similaire à celle du disulfure de molybdène et est connu pour ses propriétés électroniques uniques, notamment une haute mobilité des porteurs, une bande interdite importante et un rapport marche‑arrêt remarquable. 

La technologie CMOS nécessite que les semi‑conducteurs de type n et de type p fonctionnent ensemble pour atteindre des performances élevées avec une faible consommation d’énergie. Cela a toutefois été un défi majeur freinant les efforts visant à dépasser le silicium. 

Et bien que des études aient montré que les petits circuits basés sur des matériaux 2D peuvent être mis à l’échelle pour former des ordinateurs fonctionnels complexes, cet exploit n’a pas encore été réalisé.

Selon les chercheurs, c’est l’avancée clé de leur travail. Pour la première fois, ils ont construit un ordinateur CMOS entièrement à partir de matériaux 2D, combinant des transistors de disulfure de molybdène et de diséléniure de tungstène à grande surface.

Pour fabriquer le transistor, l’équipe a utilisé un procédé appelé dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD). Dans ce processus, les ingrédients sont vaporisés, forçant une réaction chimique et déposant les produits sur un substrat.

En utilisant le MOCVD, l’équipe a cultivé de grandes feuilles de disulfure de molybdène et de diséléniure de tungstène et a fabriqué plus de 1 000 transistors de chaque type.

Ensuite, grâce à des ajustements minutieux de la fabrication des dispositifs et du post‑traitement, l’équipe a pu régler les tensions de seuil des transistors de type n et p, permettant ainsi le développement de circuits logiques CMOS pleinement fonctionnels.

« Notre ordinateur CMOS 2D fonctionne à des tensions d’alimentation faibles avec une consommation d’énergie minimale et peut exécuter des opérations logiques simples à des fréquences allant jusqu’à 25 kilohertz. »

Bien que cette fréquence de fonctionnement soit basse comparée à celle des circuits CMOS en silicium conventionnels, Ghosh a noté que leur ordinateur est toujours capable d’exécuter des opérations logiques simples.

« Nous avons également développé un modèle computationnel, calibré à l’aide de données expérimentales et intégrant les variations entre les dispositifs, afin de projeter les performances de notre ordinateur CMOS 2D et de le comparer à la technologie silicium de pointe. Bien qu’il reste une marge d’optimisation, ce travail représente une étape importante dans l’exploitation des matériaux 2D pour faire progresser le domaine de l’électronique. »

– Ghosh

Ainsi, bien que ce soit une grande réussite, le travail n’est pas encore terminé. Plus de recherches sont nécessaires pour développer davantage l’approche de l’ordinateur CMOS 2D afin d’en élargir l’utilisation. Cependant, Das a souligné la progression rapide du domaine comparée au développement de la technologie silicium.

« La technologie du silicium est en développement depuis environ 80 ans, mais la recherche sur les matériaux 2D est relativement récente, n’émergeant réellement qu’autour de 2010. Nous nous attendons à ce que le développement des ordinateurs à matériaux 2D soit également un processus graduel, mais il s’agit d’un bond en avant comparé à la trajectoire du silicium. »

– Das

Fabrication de microprocesseurs avec des matériaux 2D à grande échelle

Il y a quelques mois, des scientifiques en Chine ont également rapporté le développement d’un microprocesseur² utilisant du disulfure de molybdène. La puce comporte 5 931 transistors, chacun d’une épaisseur de trois atomes.

Le disulfure de molybdène (MoS2) est considéré par les scientifiques comme permettant la poursuite de la loi de Moore une fois que le silicium ne pourra plus offrir de progrès supplémentaires.

« Bien que les matériaux 2D soient largement préconisés depuis plus d’une décennie, la véritable limitation à leur développement actuel n’est pas la performance d’un seul dispositif, car de nombreux dispositifs électroniques 2D fonctionnent très bien au niveau du laboratoire. »

– Wenzhong Bao, professeur à l’Université Fudan

La praticité des matériaux 2D est remise en question en raison du « manque d’un système technologique intégré, évolutif, reproductible et compatible avec les procédés industriels », a-t-il ajouté.

Ainsi, l’équipe a créé un microprocesseur novateur appelé RV32‑WUJI. Il possède près de 6 000 transistors MoS2 fabriqués à l’aide des technologies CMOS conventionnelles, marquant la transition de la recherche en laboratoire vers des applications d’ingénierie à l’échelle du système.

Le microprocesseur est équipé d’une architecture RISC‑V capable d’exécuter des instructions standard 32 bits. Le nouveau processeur est construit sur un substrat de saphir isolant qui sépare électriquement chaque transistor. Une bibliothèque de cellules standard a également été développée pour le RV32‑WUJI, contenant 25 types d’unités logiques pour réaliser des fonctions de base. Pour optimiser chaque étape du processus, l’équipe a utilisé l’apprentissage automatique. 

Les chercheurs ont atteint un rendement de fabrication de 99,77 %. La puce consomme également seulement 0,43 milliwatts lorsqu’elle effectue des opérations arithmétiques. 

Bien que les puces en silicium possèdent des millions de fois plus de transistors et des fréquences de fonctionnement bien plus rapides que le nouveau dispositif, Bao a déclaré que le nouveau travail est basé en laboratoire, contrairement aux semi‑conducteurs à base de silicium, pour lesquels d’énormes ressources de R&D ont été investies au cours des dernières décennies. Si l’industrie adopte les semi‑conducteurs 2D, « nous pensons que le rythme de rattrapage des performances basées sur le silicium sera plus rapide que nous ne pouvons l’imaginer », a-t-il ajouté.

Le matériau actif 2D, le disulfure de molybdène (MoS2), a récemment également reçu une amélioration au platine (Pt) au niveau atomique dans une nouvelle étude³ menée par l’Université de Vienne et l’Université technique de Vienne.

Les chercheurs ont incorporé des atomes de Pt individuels sur une monocouche ultrafine de MoS2 et, pour la première fois, ont localisé leurs positions exactes dans le réseau avec une précision atomique grâce à une approche innovante.

Leur approche, qui combine création ciblée de défauts dans la monocouche MoS2, dépôt contrôlé de platine et technique d’imagerie microscopique computationnelle à contraste élevé, offre, selon les chercheurs, de nouvelles voies pour comprendre et concevoir des caractéristiques à l’échelle atomique dans les systèmes 2D.

Au‑delà du CMOS : Matériaux hybrides 2D et voies quantiques

Les chercheurs cherchent depuis longtemps de nouveaux matériaux pour remplacer le silicium dans les électroniques de prochaine génération. Ces matériaux doivent offrir de meilleures performances et une consommation d’énergie réduite tout en étant évolutifs, ce qui les conduit souvent vers les matériaux 2D.

Un travail multi‑institutionnel co‑dirigé par le MIT il y a quelques années a réalisé deux percées techniques et a également été le premier à rapporter que leur méthode, les dichalcogénures de métaux de transition (TMD), pour faire croître des matériaux semi‑conducteurs rendrait les dispositifs plus rapides et plus économes en énergie.

Pour créer les nouveaux matériaux, l’équipe a dû surmonter trois défis à l’échelle du wafer ou à grande échelle : assurer la cristallinité unique, les hétérostructures verticales et prévenir les variations d’épaisseur non uniformes.

Contrairement aux matériaux 3D, qui subissent un processus de rugosité et de lissage pour obtenir une surface uniforme, les matériaux 2D ne permettent pas ce processus, ce qui entraîne une surface irrégulière. Cela rend difficile la production d’un matériau 2D de grande taille, de haute qualité et uniforme.

Ainsi, l’équipe a construit une structure confinée qui favorise le contrôle cinétique des matériaux 2D, résolvant ainsi tous les défis tout en nécessitant une croissance auto‑définie pour un temps de croissance plus court.

L’autre percée technique consistait à présenter des hétérojonctions TMD à domaine unique à grande échelle, couche par couche. 

La recherche sur les matériaux 2D s’élargit constamment, les scientifiques cherchant sans cesse à débloquer de nouvelles fonctionnalités pour un avenir plus avancé. 

Il y a seulement quelques semaines, des scientifiques des matériaux de l’Université Rice ont créé un véritable hybride 2D⁴ en intégrant chimiquement le graphène et le verre de silice, deux matériaux 2D fondamentalement différents, dans un seul composé appelé glaphène.

« Les couches ne se contentent pas de se reposer l’une sur l’autre — les électrons se déplacent et forment de nouvelles interactions et états de vibration, donnant naissance à des propriétés qu’aucun des deux matériaux n’a seul. »

Dans cet effort intercontinental, une méthode à deux étapes et à réaction unique a été développée pour faire pousser le glaphène à l’aide d’un précurseur chimique liquide contenant à la fois du carbone et du silicium. En ajustant les niveaux d’oxygène pendant le chauffage, ils ont d’abord fait croître le graphène puis ont modifié les conditions en faveur de la formation de la couche de silice.

Il est à noter que la méthode peut être appliquée à un large éventail de matériaux 2D, ouvrant la porte au développement de matériaux 2D sur mesure pour les électroniques de prochaine génération et les dispositifs quantiques.

Des scientifiques en Corée ont également utilisé des matériaux semi‑conducteurs 2D pour découvrir un nouvel état quantique⁵ qui peut alimenter des ordinateurs quantiques plus stables. Le nouvel état quantique découvert peut également être exploité dans une puce semi‑conductrice 2D pour contrôler l’information quantique de manière plus fiable.

Les matériaux minuscules ont conduit de grandes avancées dans l’informatique quantique depuis un certain temps, et les dernières recherches du Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) ouvrent des voies vers de nouveaux dispositifs reconfigurables pour le stockage de données.

« Nous avons découvert un nouvel état quantique, appelé état de synthèse exciton‑Floquet, et proposé un mécanisme novateur d’intrication quantique et d’extraction d’information quantique. Cela devrait faire progresser la recherche en technologie de l’information quantique dans les semi‑conducteurs bidimensionnels. »

– Jaedong Lee du DGIST

L’année dernière, des scientifiques de JMU Würzburg et de TU Dresden, quant à eux, ont développé un revêtement protecteur pour les matériaux quantiques 2D afin de les protéger des influences environnementales sans compromettre leurs propriétés révolutionnaires.

Les scientifiques avaient précédemment découvert que les semi‑conducteurs quantiques extrêmement fins nécessitent un équipement à vide sophistiqué et un substrat spécifique. Utiliser le matériau 2D dans les composants électroniques implique de le retirer de l’environnement sous vide, mais même une brève exposition à l’air entraîne une oxydation et détruit ses propriétés, « le rendant inutilisable ».

Ainsi, l’équipe a cherché une méthode pour protéger la couche sensible des éléments environnementaux à l’aide d’un revêtement protecteur. Après deux ans, ils ont réussi. L’équipe a utilisé des outils à ultra‑haut vide avancés pour expérimenter le chauffage du carbure de silicium comme substrat pour l’indénène.

L’équipe voit cela ouvrir la voie à des applications impliquant des couches atomiques de semi‑conducteurs extrêmement sensibles. L’équipe identifie maintenant plus de matériaux van‑der‑Waals pour servir de couches protectrices.

Investir dans la technologie des semi‑conducteurs 2D

Travaillant activement à relever les défis liés à la réduction des dimensions des transistors, Applied Materials (AMAT ) joue un rôle important dans le développement et la mise à l’échelle des semi‑conducteurs 2D. C’est en fait l’une des rares entreprises capables de permettre la transition industrielle vers la production de semi‑conducteurs 2D grâce aux équipements de fabrication et à la chimie des procédés.

La performance du marché de la capitalisation boursière de 137 milliards de dollars d’Applied Materials révèle également une forte tendance haussière. 

Applied Materials (AMAT )

Actuellement, les actions d’Applied Materials se négocient à 170,50 $, en hausse de 4,9 % depuis le début de l’année et en baisse de seulement 33,6 % par rapport à son sommet historique atteint l’été dernier. Son BPA (TTM) est de 8,21, et le ratio P/E (TTM) est de 20,78, tandis que le rendement du dividende offert est de 1,08 %.

En ce qui concerne les finances de l’entreprise, Applied Materials a déclaré un chiffre d’affaires de 7,10 milliards de dollars, soit une hausse de 7 % d’une année sur l’autre, pour le deuxième trimestre se terminant le 27 avril 2025.

Cette « performance solide » a été réalisée « malgré le contexte économique et commercial dynamique », a déclaré Brice Hill, vice‑président senior et directeur financier. L’entreprise a également indiqué qu’il n’y avait pas de changements significatifs dans la demande des clients.

Sa marge brute GAAP était de 49,1 % et sa marge brute non‑GAAP de 49,2 %, tandis que le BPA GAAP a bondi de 28 % à 2,63 $ et le BPA non‑GAAP a augmenté de 14 % à 2,39 $. Au cours de cette période, l’entreprise a généré 1,57 milliard de dollars de trésorerie provenant des opérations et a distribué 2 milliards de dollars aux actionnaires sous forme de 325 millions de dollars de dividendes et 1,67 milliard de dollars de rachats d’actions.

« Les vastes capacités d’Applied Materials et son portefeuille de produits interconnectés génèrent de solides résultats en 2025 dans un environnement macroéconomique très dynamique. »

– CEO Gary Dickerson

Il a souligné que le calcul IA haute performance et économe en énergie continue d’être le principal moteur de l’innovation dans les semi‑conducteurs.

Dernières actualités et développements des actions Applied Materials (AMAT)

Conclusion

En construisant les premiers ordinateurs CMOD fonctionnels au monde entièrement à partir de matériaux 2D d’une épaisseur atomique, les chercheurs ont non seulement remis en question la domination de longue date du silicium dans l’électronique, mais ont également proposé une solution au problème actuel de miniaturisation, de vitesse et d’amélioration des appareils électroniques.

Plus de 2 000 transistors fabriqués par l’équipe sont capables d’exécuter des opérations logiques sur un ordinateur, éliminant ainsi le besoin de silicium traditionnel.

Bien que encore à ses débuts, cette percée ouvre la voie à un avenir passionnant où des électroniques haute performance, plus économes en énergie et plus minces, alimentées par des matériaux d’une épaisseur d’un atome, deviendront la nouvelle réalité.

Cliquez ici pour découvrir pourquoi les semi‑conducteurs en couches pourraient être le prochain bond en avant du stockage de mémoire.

Études référencées :

^{1. Ghosh, S.; Zheng, Y.; Rafiq, M.; et al. Un ordinateur à jeu d’instructions unique basé sur un matériau bidimensionnel complémentaire. Nature 2025, 642 (12), 327–335. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08963-7}
2. Ao, M.; Zhou, X.; Kong, X.; et al. Un microprocesseur RISC‑V 32 bits basé sur des semi‑conducteurs bidimensionnels. Nature 2025, 640 (17), 654–661. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08759-93. Li, J.; Yuan, Y.; Cao, W.; Deng, B.; Li, C.; Cheng, Z.; Wang, H.; Hu, W.; Xu, H. Q.; Wang, L. Jonctions P‑N programmables dans les transistors semi‑conducteurs bidimensionnels. Nano Lett. 2025, 25 (12), 5049–5056. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c009194. Iyengar, S. A.; Tripathi, M.; Srivastava, A.; Biswas, A.; Gray, T.; Terrones, M.; Dalton, A. B.; Pimenta, M. A.; Vajtai, R.; Meunier, V.; Ajayan, P. M. Glaphène : une hybridation du verre de silice 2D et du graphène. Adv. Mater. 2025, Publié le Online 28 mai 2025. https://doi.org/10.1002/adma.2024191365. Park, H.; Park, N.; Lee, J. Nouveaux états quantiques des composites exciton‑Floquet : intrication électron‑trou et information. Nano Lett. 2024, 24 (42), 13192–13199. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03100