Les semi-conducteurs organiques peuvent-ils combiner les avantages du graphène et du silicium ?

Le potentiel manqué des semi-conducteurs à base de graphène

Graphene has long been considered a matériau miracle, avec des caractéristiques exceptionnelles that may play a role in next-gen semiconductors. Its perception as a miracle material is multipronged due to its physical characteristics, as it is 200x stronger than steel, and its electron mobility is 140x faster in graphene than in silicon.

Source: Visual Capitalist

Au départ, les chercheurs étudiant le graphène pensaient qu’il pourrait remplacer le silicium dans les semi-conducteurs. Malheureusement, il manque une caractéristique électronique clé appelée « band gap ».

Un band gap détermine si un matériau sera considéré comme un métal (conduisant l’électricité), un isolateur (bloquant l’électricité) ou un semi-conducteur (qui peut alterner entre conductivité et isolation).

Source: Energy Education

Le problème est que le graphène n’a aucun band gap, ce qui empêche son utilisation comme semi-conducteur.

Cependant, un autre type de matériau pourrait avoir la même mobilité électronique que le graphène tout en présentant un band gap compatible avec les capacités des semi-conducteurs. Ce matériau s’appelle un polymère organique.

Construire des semi-conducteurs organiques

Ce qui rend le graphène si conducteur repose sur deux facteurs :

1. Il s’agit essentiellement d’un matériau 2D, formant une couche monoatomique de carbone parfaitement plane.
2. Les électrons entre les hexagones de carbone peuvent circuler presque librement entre les structures atomiques appelées hydrocarbures aromatiques.

Source: Britannica

Les hydrocarbures aromatiques sont en réalité très courants dans la nature, mais la couche 2D du graphène est beaucoup plus rare. Cependant, de nombreux matériaux organiques ont le potentiel d’afficher le band gap qui manque au graphène.

Des chercheurs de l’Université des Sciences et Technologies de Pohang (POSTECH) en Corée du Sud – Pr. Kimoon Kim, Pr. Ji Hoon Shim, Pr. Jun Sung Kim et Dr. Yeongsang Lee – ont cherché un moyen de transformer un matériau organique ordinaire en quelque chose de similaire au graphène.

Source: POSTECH

Fabriquer des polymères organiques en 2D

Ce qui empêche les polymères organiques de fonctionner comme le graphène, c’est que lors de leur polymérisation, l’empilement inter-couches bloque la croissance du polymère.

Les chercheurs ont découvert qu’en ajoutant des groupes chimiques bloquant l’attachement des monomères (stéréo-hindrance), ils pouvaient supprimer l’empilement des intermédiaires polymères bidimensionnels. Le polymère organique utilisé était le triazacoronène.

Source: POSTECH

Ils ont ensuite ajouté à la synthèse du polymère une étape appelée dopage de type p, couramment utilisée dans la production de semi-conducteurs. Cela consiste à ajouter des éléments à un matériau semi-conducteur pour le rendre encore plus conducteur.

Source: Wikipedia by VectorVoyager 

Le matériau résultant a été décrit par les chercheurs comme ayant une « conductivité électrique exceptionnelle ».

Le potentiel immense des semi-conducteurs organiques

Cette avancée résout le problème de la mobilité électronique trop faible des semi-conducteurs organiques.

Elle facilite également le contrôle des voies de conduction pour les électrons et les trous au niveau moléculaire, une étape nécessaire pour fabriquer des transistors et des puces informatiques à partir de ce matériau.

Il est également possible que le graphène puisse être « doté » d’un band gap, autre voie explorée plus en détail dans notre article « Semi-conducteurs à base de graphène – sont-ils enfin là ?».

Le potentiel des semi-conducteurs à base de graphène et des semi-conducteurs organiques aux spécifications similaires au graphène pourrait avoir de nombreuses applications possibles.

Bien sûr, cela n’est valable que si nous continuons à calculer sur la base des semi-conducteurs, plutôt que sur la photonique comme discuté dans « Avancer les semi-conducteurs – les faisceaux « Donut » vers des blocs « Lego » pourraient-ils renverser les approches industrielles ? » ou l’informatique quantique comme discuté dans « L’état actuel de l’informatique quantique».

Semi-conducteurs

Alors que le silicium atteint ses limites en raison de ses caractéristiques physiques, la conductivité semblable à celle du graphène pourrait rendre les semi-conducteurs organiques un matériau de remplacement viable pour maintenir la loi de Moore, car des électrons plus rapides se traduisent par un calcul plus rapide.

Cela ajoute le matériau organique aux candidats pour remplacer le silicium, aux côtés du graphène amélioré et des matériaux Insulator‑To‑Metal (IMT) comme le dioxyde de vanadium (vous pouvez en savoir plus sur ces avancées technologiques des semi-conducteurs dans « Suivre le rythme de la loi de Moore avec des substrats actifs et l’informatique neuromorphique »).

Batteries

Une autre industrie qui envisage d’utiliser des matériaux organiques pour remplacer les métaux est celle des batteries, dynamisée par le boom des véhicules électriques et des énergies renouvelables.

Si les matériaux organiques peuvent afficher des propriétés similaires à celles du graphène, ils pourraient constituer une option pour les batteries au graphène, l’une des nombreuses chimies possibles pour les batteries de VE, dont nous avons parlé dans « L’avenir de la mobilité – Technologie des batteries ».

Entreprises de semi-conducteurs

1. IBM

Un pionnier historique de l’informatique, des semi-conducteurs et de la conception de puces, International Business Machines Corporation (IBM) a été présent dans la plupart des innovations de pointe en informatique et dans l’industrie des semi-conducteurs.

Cela inclut les matériaux organiques conducteurs comme discuté dans cet article, mais aussi l’informatique neuromorphique, l’informatique quantique, la photonique, etc.

En partenariat avec Intel, IBM fait partie des entreprises qui poussent le plus agressivement les nouvelles formes de technologies informatiques, cherchant à reproduire le calcul non‑silicium et ses succès passés.

Cela place IBM dans une bonne position pour exploiter son budget R&D massif et son réseau de partenaires de recherche afin de tirer parti de découvertes comme les semi-conducteurs organiques similaires au graphène.

2. ON Semiconductor Corporation

ON Semi est une entreprise de semi-conducteurs spécialisée dans l’électrification, y compris dans l’automobile, mais aussi dans d’autres secteurs comme l’énergie solaire, les batteries, l’aérospatiale, les télécommunications, les centres de données et le médical. En tant que telle, elle est un partenaire clé pour de nombreuses grandes entreprises industrielles du monde.

Source: ON Semi

Une grande partie de l’avantage technologique d’ON Semi repose sur le carbure de silicium, un type de composé silicium‑carbone utilisé pour les systèmes électriques à haute énergie. Ils permettent notamment de très fortes charges de puissance requises pour la recharge rapide des VE.

Le carbure de silicium est le produit chimique récemment utilisé par les chercheurs pour développer du graphène semi‑conducteur, comme discuté dans notre article « Semi-conducteurs à base de graphène – sont-ils enfin là ? ».

La stratégie d’ON Semi de miser davantage sur le carbure de silicium a conduit l’entreprise à connaître une hausse de ses revenus ces dernières années, portée par la révolution des VE.

L’expertise d’ON Semi en carbure de silicium et, plus généralement, en semi-conducteurs à base de carbone pourrait être précieuse pour industrialiser des semi-conducteurs basés soit sur le graphène, soit sur des matériaux organiques.

Entre‑temps, le besoin de batteries et de systèmes électriques toujours plus puissants et efficaces, le carbure de silicium devient de plus en plus important dans la chaîne d’approvisionnement mondiale. En tant que leader du secteur, ON Semi bénéficiera probablement grandement de la tendance à l’électrification, notamment des VE.

Enfin, il est également possible que si les semi-conducteurs organiques trouvent des applications dans la technologie des batteries, la forte présence d’ON Semi dans ce secteur pourrait l’aider à être l’une des premières entreprises en position de déployer cette technologie.