Semi-conducteurs en graphène – Sont-ils enfin là ?

Aujourd’hui, les semi-conducteurs alimentent le monde moderne. Ils sont l’épine dorsale des appareils électroniques, et une découverte vise à transformer l’industrie électronique de manière substantielle. 

Également appelés microprocesseurs ou circuits intégrés (CI), les semi-conducteurs sont des matériaux dont la conductivité électrique se situe entre celle des conducteurs comme l’aluminium et le cuivre et celle des isolants comme la céramique et le verre.

Les semi-conducteurs sont sensibles à la lumière et à la chaleur, et leur résistance varie. La résistivité d’un semi-conducteur diminue lorsque sa température augmente, contrairement au comportement des métaux.

Parmi les exemples de semi-conducteurs figurent le silicium et le germanium, qui sont des éléments purs et se trouvent facilement dans la nature. Il existe également des composés comme le séléniure de cadmium et l’arséniure de gallium. De plus, pour modifier la conductivité ou les propriétés des matériaux, de petites quantités d’impuretés sont ajoutées aux semi-conducteurs purs via un processus appelé dopage.

Ainsi, selon leur pureté, les semi-conducteurs sont classés en — semi-conducteurs intrinsèques, qui sont des matériaux naturels composés d’un seul type d’atome et peuvent être utilisés directement dans les appareils, et semi-conducteurs extrinsèques, qui doivent d’abord être dopés pour être utilisés dans les appareils. La transformation des semi-conducteurs intrinsèques donne deux types de semi-conducteurs extrinsèques: de type N (donneurs) et de type P (acceptateurs).

Les semi-conducteurs sont utilisés pour les diodes, qui convertissent le courant alternatif en courant continu, les transistors ou les amplificateurs de courant, ainsi que les circuits électroniques, essentiels à la fabrication de différents types d’appareils électroniques.

Avec les semi-conducteurs, nous bénéficions de l’absence de filaments. Ainsi, ils n’ont pas besoin d’être chauffés pour émettre des électrons. Cela signifie également que les semi-conducteurs peuvent être utilisés immédiatement. De plus, ils sont de petite taille ; ils sont donc compacts, portables et consomment moins d’énergie. En outre, les semi-conducteurs ne sont pas très coûteux.

Les semi-conducteurs sont une partie intégrante de notre vie, car sans eux il n’y aurait ni télévision, ni radio, ni ordinateurs, ni smartphones, ni automobiles, ni réfrigérateurs, ni jeux vidéo. Les semi-conducteurs permettent essentiellement la création de minuscules interrupteurs qui peuvent être activés ou désactivés pour contrôler le flux d’électricité, ce qui fait fonctionner les appareils électroniques.

Cela fait des semi-conducteurs un composant essentiel des appareils électroniques, permettant des avancées dans le domaine de l’informatique, des communications, de la santé, des transports, des énergies propres, de la défense, des appareils ménagers, du matériel de jeu et de nombreuses autres applications.

Au cours des dernières décennies, les progrès de la technologie des semi-conducteurs ont rendu ces appareils électroniques non seulement plus petits, mais aussi plus rapides, plus sophistiqués, plus compatibles et plus fiables.

Les entreprises travaillant avec les semi-conducteurs organisent généralement leurs activités autour de la conception ou de la fabrication. Celles qui se concentrent sur la conception sont appelées sociétés « fabless », tandis que celles qui se consacrent uniquement à la fabrication sont appelées « fondeurs », et celles qui font les deux sont appelées fabricants de dispositifs intégrés, ou IDM.

Au cours des dernières années, il y a eu une crise des semi-conducteurs. Depuis la fin de 2020, après la pandémie et les confinements, alors que la demande d’appareils électroniques a explosé, il y a eu une pénurie mondiale de microprocesseurs et de circuits électroniques.

Alors que les cours en ligne, le télétravail et la numérisation croissante ont entraîné une croissance énorme de la demande d’appareils électroniques, les nouvelles avancées technologiques ont conduit à des technologies perturbatrices telles que l’IA, la réalité virtuelle, la 5G, le big data et les services cloud, qui ont encore aggravé la situation.

En réponse à cela, des entreprises du monde entier investissent d’énormes ressources pour trouver une solution au problème. 

Une grande découverte: Le premier semi-conducteur fonctionnel en graphène 

L’arséniure de gallium est un semi-conducteur populaire utilisé dans les cellules solaires, les diodes laser et les circuits intégrés à fréquence micro-ondes. Le semi-conducteur le plus couramment utilisé aujourd’hui, cependant, est le silicium, qui joue un rôle crucial dans la fabrication de la plupart des circuits électroniques. Mais ce matériau atteint ses limites — il nécessite une grande quantité d’énergie, ce qui pousse les scientifiques à chercher une alternative.

Et il existe un autre élément, le graphène, qui n’est pas considéré comme un semi-conducteur mais peut être utilisé pour fabriquer des puces et des circuits. C’est un matériau hautement conducteur qui dissipe très efficacement la chaleur, améliorant les performances des composants électroniques. Il possède également une vitesse et une efficacité énergétique supérieures à celles du silicium sans nécessiter de grandes quantités d’énergie, ce qui le rend extrêmement avantageux pour la création d’appareils électroniques.

Le graphène est un matériau extrêmement fin, une couche d’un atome d’épaisseur de carbone disposé en hexagones, et constitue la base du graphite. Malgré le fait d’être le matériau le plus fin connu de l’homme, il est très résistant (environ 200 fois plus fort que l’acier) et flexible.

Sans oublier que cette feuille unique d’atomes de carbone est un excellent conducteur de chaleur et d’électricité et possède des capacités d’absorption de la lumière intéressantes. Ainsi, ce matériau a le potentiel de révolutionner de nombreuses applications, notamment les capteurs, les cellules solaires, les batteries, et plus encore.

Cependant, le matériau n’est pas exempt de problèmes, notamment la conductivité électrique exceptionnelle du graphène, qui rend son utilisation comme semi-conducteur difficile. Il a donc besoin d’une bande interdite, qui permet aux semi-conducteurs de s’allumer et de s’éteindre, ce que le graphène ne possède généralement pas. Pour introduire une bande interdite dans le graphène, les scientifiques ont fabriqué du graphène sous des formes spécifiques ou ont utilisé d’autres matériaux 2D possédant une bande interdite inhérente, mais ils n’ont pas réussi à produire du graphène semi-conducteur viable.

Alors que les scientifiques travaillent avec le graphène, une percée a été réalisée récemment où des chercheurs ont démontré le premier semi-conducteur fonctionnel en graphène, ce qui signifie changer le monde de l’informatique et de l’électronique à jamais. Cela a été accompli en surmontant l’obstacle qui affectait la recherche sur le graphène depuis de nombreuses années, à savoir obtenir la bonne bande interdite capable de s’allumer et s’éteindre au bon rapport — une étape cruciale pour rendre les électroniques à base de puces de graphène une réalité.

Le semi-conducteur en graphène avec une bande interdite n’est pas seulement fonctionnel, il peut également être intégré aux processus de fabrication existants. Publiée dans Nature lors de la première semaine de 2024, l’étude a montré un semi-conducteur fonctionnel en graphène pouvant être utilisé en nanoélectronique.

Pour cela, Walter de Heer, professeur de physique à l’Georgia Institute of Technology, a dirigé un groupe de recherche et a collaboré avec l’Université de Tianjin en Chine. Et il a déclaré:

« Nous disposons maintenant d’un semi-conducteur en graphène extrêmement robuste avec une mobilité dix fois supérieure à celle du silicium, et qui possède également des propriétés uniques indisponibles dans le silicium. Mais l’histoire de notre travail au cours des dix dernières années a été : « Pouvons‑nous rendre ce matériau suffisamment bon pour fonctionner ? » »

Au début de sa carrière, De Heer a commencé par explorer les matériaux à base de carbone comme semi-conducteurs potentiels, puis s’est tourné vers le graphène 2D il y a plus de vingt ans. L’équipe était « motivée par l’espoir d’introduire trois propriétés spéciales du graphène dans l’électronique » — un matériau extrêmement robuste, sa capacité à supporter des courants très élevés, et ce, sans surchauffer ni se désintégrer.

La percée a été réalisée lorsque l’équipe a découvert comment faire pousser le graphène sur des plaquettes de carbure de silicium — qui sont utilisées dans les appareils électroniques & permettent une conversion d’énergie efficace — en utilisant des fours spécialisés ainsi qu’un processus spécial de chauffage et de refroidissement.

Cela a conduit au graphène épitaxial, qui est une couche qui pousse sur la face cristalline du carbure de silicium (un composé cristallin dur contenant du silicium et du carbone), qui, lorsqu’il est correctement réalisé, se lie chimiquement au carbure de silicium et présente des propriétés semi-conductrices.

Afin de fabriquer un transistor fonctionnel, l’équipe doit s’assurer que ses propriétés ne sont pas endommagées lorsque le matériau semi-conducteur est manipulé pour fonctionner comme un transistor fonctionnel. Pour cela, l’équipe a d’abord dû vérifier si le matériau était un bon conducteur et utiliser la technique de dopage, ce qui a fonctionné sans endommager le matériau ni ses propriétés.

La transition vers les plaquettes de carbure de silicium, selon de Heer, est « tout à fait réalisable ». L’étude a constaté que leur semi-conducteur en graphène possède une mobilité bien supérieure à celle du silicium, ce qui signifie que les électrons se déplacent avec très peu de résistance. En électronique, cela se traduit par un calcul plus rapide.

« C’est comme conduire sur une route de gravier versus conduire sur une autoroute, » a déclaré de Heer. « C’est plus efficace, cela ne chauffe pas autant, et cela permet des vitesses plus élevées afin que les électrons puissent se déplacer plus rapidement. »

Percée révolutionnaire pour alimenter l’électronique du futur

C’est après dix ans de recherche que la dernière étude a découvert comment faire pousser le graphène sur des puces spéciales en carbure de silicium. L’équipe a modifié les propriétés chimiques du graphène pour obtenir la structure souhaitée afin que le graphène puisse agir comme un semi-conducteur de haute qualité.

En parlant de la concrétisation de l’électronique en graphène, de Heer a noté:

« Nous avons dû apprendre comment traiter le matériau, comment l’améliorer constamment, et enfin, comment mesurer ses propriétés. Cela a pris un très, très long moment. »

Le semi-conducteur est actuellement uniquement bidimensionnel (2D) avec toutes les propriétés nécessaires pour être utilisé en nanoélectronique. Ses propriétés électriques sont également bien supérieures à celles des autres semi-conducteurs bidimensionnels actuellement en cours de développement. Les experts estiment que cette découverte peut complètement transformer l’industrie électronique en nous permettant de créer de nouveaux semi-conducteurs en graphène puissants qui consomment moins d’énergie que le silicium.

« Cette recherche a non seulement maintenu la stabilité remarquable du graphène, mais a également introduit de nouvelles caractéristiques électroniques, ouvrant la voie aux puces à base de graphène, » a déclaré le Science and Technology Daily basé à Pékin.

Les électroniques basés sur le graphène sont simplement plus efficaces car ils nécessitent moins d’énergie pour s’allumer et s’éteindre, et de plus, les électrons peuvent circuler sans produire de chaleur qui doit ensuite être refroidie avec encore plus d’énergie. Cela signifie que « les téléphones pourraient durer des semaines sans épuiser la batterie, réduire la consommation d’énergie dans tous les aspects de notre vie, diminuer les coûts et la pollution provenant des combustibles fossiles, » a déclaré Sarah Haigh, professeure de matériaux au National Graphene Institute du Royaume-Uni, Université de Manchester, lors d’une interview.

Cela pourrait ouvrir la voie à des puces alimentant des ordinateurs personnels plus avancés et des ordinateurs quantiques à l’avenir.

Les chercheurs ont noté dans l’étude que les électrons de cette alternative au silicone, à l’instar de la lumière, possèdent des propriétés ressemblant à des ondes mécaniques quantiques. Ces propriétés peuvent très bien être exploitées à très basse température. Les chercheurs envisagent désormais d’explorer cela dans des recherches ultérieures.

Le graphène épitaxial permet aux électrons de se déplacer avec moins de résistance, ce qui signifie que les transistors fabriqués de cette manière peuvent fonctionner à des fréquences térahertz. Cela aide à surmonter les limites du silicium, notamment la vitesse à laquelle les transistors peuvent s’allumer et s’éteindre, la taille minimale réalisable et la chaleur générée.

De cette façon, le nouveau matériau pourrait provoquer un changement de paradigme dans le domaine de l’électronique, permettant d’exploiter les propriétés d’onde quantique des électrons, une exigence pour l’informatique quantique. Un pas majeur vers la prochaine génération de calcul, cela peut ouvrir les portes à une nouvelle façon de concevoir des électroniques plus petites et plus rapides.

Comme l’a souligné de Heer, il ne s’agit pas seulement de la capacité du graphène à « rendre les choses plus petites, plus rapides et avec moins de dissipation thermique », mais aussi d’exploiter les « propriétés des électrons qui ne sont pas accessibles dans le silicium », présentant ainsi « un changement de paradigme — c’est une façon différente de faire de l’électronique. »

Cela signifie qu’une nouvelle génération d’électronique est désormais imminente. Depuis longtemps, le silicium domine l’électronique, représentant une étape au-dessus des tubes à vide, qui sont apparus après les fils et les télégraphes, et maintenant le graphène serait la prochaine étape.

« Pour moi, c’est comme le moment des frères Wright, » a déclaré de Heer. « Ils ont construit un avion capable de voler à 300 pieds dans les airs. Mais les sceptiques se demandaient pourquoi le monde aurait besoin du vol alors qu’il disposait déjà de trains rapides et de bateaux. Mais ils ont persévéré, et cela a été le début d’une technologie capable de transporter les gens à travers les océans. »

De plus, cela peut être mis à l’échelle. Auparavant, le graphène avait montré des promesses en tant que semi-conducteur, mais uniquement à petite échelle. L’augmentation de l’échelle des semi-conducteurs en graphène à des tailles de puces informatiques pratiques a été difficile. Cependant, la dernière percée a utilisé un processus similaire aux techniques de fabrication des puces en silicium et compatible avec les méthodes de traitement microélectronique conventionnelles, rendant plus faisable l’augmentation d’échelle.

La recherche a utilisé des plaquettes, qui, selon David Carey de l’Université de Surrey au Royaume-Uni, sont « vraiment, véritablement évolutives », et la technologie actuellement utilisée par l’industrie des semi-conducteurs peut être employée pour « augmenter l’échelle de ce processus ».

Cela dit, il reste à voir si les derniers semi-conducteurs en graphène peuvent réellement surpasser la technologie supraconductrice actuelle. De plus, pour que le monde passe aux puces en graphène, de nouvelles recherches devront être affinées concernant la qualité, la taille et les techniques de fabrication. Cela signifie que ce sera un long parcours, et il peut falloir plus d’une décennie pour réaliser pleinement l’implémentation industrielle des semi-conducteurs en graphène.

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