Comment les scientifiques ont rendu les semi-conducteurs supraconducteurs

Limites de la supraconductivité

Electricity has been one of the most transformative technologies in history, allowing for the transmission of a very useful form of energy over long distances. But every “normal” electric system faces electric resistance, which results in the generation of heat when an electric current is applied.

Une alternative existe: les matériaux supraconducteurs. Les matériaux supraconducteurs ont une résistance électrique nulle, permettant à des courants extrêmement puissants de circuler sans générer de chaleur.

Sans la supraconductivité, de nombreuses technologies modernes ne seraient pas possibles, y compris les accélérateurs de particules (par exemple, CERN), l’IRM, et les trains à sustentation magnétique.

La supraconductivité sera un composant crucial des mégaprojets et innovations technologiques les plus prometteurs, comme ITER et la fusion nucléaire, les propulseurs de masse, les ordinateurs quantiques, etc.

Les lignes électriques sans perte pourraient également être essentielles pour développer des connexions de réseau ultra‑longues, aidant à tamponner la production des énergies renouvelables selon les conditions météorologiques et les fuseaux horaires, résolvant certaines des limites du solaire et de l’éolien.

Cependant, la supraconductivité n’a été maîtrisée jusqu’à présent que pour des matériaux qui la présentent à des températures ultra‑basses, à peine quelques degrés au‑dessus du zéro absolu. Ou à des pressions extrêmement élevées. Ou les deux.

Cela la rend non seulement trop complexe pour toutes les applications sauf les plus exigeantes (maglev, IRM, etc.) ainsi que très coûteuse, la rendant non économique pour de nombreuses applications qui pourraient bénéficier de matériaux supraconducteurs à grande échelle.

De nombreux chemins vers la supraconductivité

Il semble maintenant que le matériau produit sous haute pression puisse conserver une partie de sa supraconductivité à pression plus basse grâce à une méthode expérimentale appelée protocole de détente sous pression (PQP).

Récemment, la double couche torsadée de WSe₂ (tungstène sélénium) semble être un bon candidat matériel pour des supraconducteurs à température plus élevée également.

Une autre nouvelle classe de supraconducteurs potentiels, les nickelates à double couche, pourrait également avoir été ajoutée à la liste cette année.

Cependant, tous ces matériaux sont relativement nouveaux et exotiques, les éloignant encore de la production de masse et du déploiement à grande échelle.

Cela pourrait changer, grâce à la découverte que les semi‑conducteurs à base de germanium peuvent être transformés en supraconducteurs. Cette recherche a été menée par des scientifiques de l’University of Queensland (Australie), de New York University, de l’ETH Zürich (Suisse) et de l’The Ohio State University, qui ont publié leurs résultats dans Nature Nanotechnology, sous le titre “Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films”.

Des semi‑conducteurs aux supraconducteurs

Semi‑conducteurs au germanium

Germanium and silicon are both so-called Group IV elements, with diamond-like crystal structures. This crystalline structure makes them behave as something between a metal (conductive of electricity) and an insulator (non-conductive), making them useful for semiconductor production.

Germanium semiconductor production is already well understood and performed at scale for various electronic and optical devices. C’était en fait l’un des premiers matériaux utilisés pour les diodes et les transistors, et il n’a été remplacé par le silicium que grâce à ses coûts inférieurs et sa stabilité thermique supérieure.

Aujourd’hui, le germanium, qui est crucial pour l’électronique et l’optique infrarouge, y compris les capteurs sur missiles et satellites de défense, est principalement produit à partir de mines de zinc et de molybdène.

Pour créer la supraconductivité, il faut que les électrons s’apparient, leur permettant de traverser le matériau sans résistance.

Déjà en 2023, une phase supraconductrice a été découverte dans des films de germanium, un travail mené par les chercheurs à l’origine de cette dernière découverte, dopant le gallium avec du germanium.

Source: ResearchGate

“Cela fonctionne parce que les éléments du groupe IV ne deviennent pas naturellement supraconducteurs dans des conditions normales, mais la modification de leur structure cristalline permet la formation d’appariements d’électrons qui autorisent la supraconductivité.”

Javad Shabani – Director of NYU’s Center of Quantum Information Physics.

Potentiel d’industrialisation

Alors que les tentatives précédentes de créer un comportement supraconducteur dans des semi‑conducteurs tels que le germanium et le silicium ont prouvé le concept, elles ont eu du mal à le réaliser à grande échelle.

Les principaux problèmes étaient de maintenir la structure atomique avec des propriétés de conduction appropriées. Normalement, des niveaux élevés de gallium déstabilisent le cristal, empêchant la supraconductivité.

Cependant, c’est une idée prometteuse, car la fabrication de semi‑conducteurs au germanium est une technologie très bien comprise, avec de nombreux équipements prêts à l’emploi.

« Le germanium est déjà un matériau de base pour les technologies avancées de semi‑conducteurs, donc en montrant qu’il peut également devenir supraconducteur sous des conditions de croissance contrôlées, il existe désormais un potentiel pour des dispositifs quantiques évolutifs, prêts pour les fonderies. »

Dr Peter Jacobson – Researcher at University of Queensland

Nouvelle méthode de production

La plupart des méthodes de dopage tentent d’incorporer les ions dans le matériau, mais entraînent des résultats assez irréguliers. Bien que cela puisse suffire à améliorer les performances des semi‑conducteurs, c’est trop imprécis pour induire la supraconductivité.

À la place, les chercheurs ont utilisé une technique appelée épithèse par faisceau moléculaire (MBE). Elle dirige des faisceaux de sources atomiques ou moléculaires sur un substrat chauffé dans un environnement à ultra haute vacuité (UHV).

Source: ExplainThatStuff

Cela donne un contrôle précis sur la composition, l’épaisseur et le dopage du film en croissance.

« Plutôt que l’implantation ionique, l’épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) a été utilisée pour incorporer précisément des atomes de gallium dans le réseau cristallin du germanium.

L’utilisation de l’épitaxie – la croissance de fines couches cristallines – signifie que nous pouvons enfin atteindre la précision structurelle nécessaire pour comprendre et contrôler comment la supraconductivité apparaît dans ces matériaux. »

Dr Julian Steele – Researcher at University of Queensland

Lors de l’utilisation de l’absorption de rayons X basée sur synchrotron, les chercheurs ont constaté que les dopants de gallium sont incorporés dans le réseau du germanium, introduisant une distorsion tétragonale dans la cellule unité du cristal.

Source: Nature Nanotechnology

Ce ordre structurel crée une bande électronique étroite pour l’émergence de la supraconductivité dans le Ge.

Source: Nature Nanotechnology

Plus important encore, cette méthode peut fonctionner à l’échelle du wafer, les mêmes méthodes utilisées pour la production de masse de puces électroniques.

Source: WaferWorld

« Ce travail théorique a confirmé que les atomes de gallium se substituent proprement dans le réseau du germanium, créant les conditions électroniques pour la supraconductivité.

C’est un exemple élégant de la façon dont la computation et l’expérimentation ensemble peuvent résoudre un problème qui a défié la science des matériaux pendant plus d’un demi‑siècle. »

Dr Carla Verdi – Researcher at University of Queensland

Applications

La supraconductivité créée par cette méthode n’est pas une supraconductivité à température ambiante, car elle nécessite des températures aussi basses que 3,5 K (-269 °C / -453 °F), un phénomène qui échappe encore à la science des matériaux.

Cependant, la facilité de sa production, en utilisant des machines bien établies par l’industrie des semi‑conducteurs, pourrait changer radicalement la façon dont les puces supraconductrices sont fabriquées.

À son tour, cela pourrait changer radicalement la façon dont les matériaux pour les ordinateurs quantiques sont produits. Très probablement, au lieu d’un matériau supraconducteur coûteux, un futur ordinateur quantique pourrait simplement utiliser une wafer de semi‑conducteur « normal » au gallium‑germanium, rendue supraconductrice à des endroits spécifiques de la puce.

« Ces matériaux ouvrent une voie vers une nouvelle ère d’appareils quantiques hybrides et pourraient soutenir les futurs circuits quantiques, capteurs et électroniques cryogéniques à faible consommation, tous nécessitant des interfaces propres entre les régions supraconductrices et semi‑conductrices. »

Dr Peter Jacobson – Researcher at University of Queensland

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Investir dans la fabrication de semi‑conducteurs

TSMC

La production de semi‑conducteurs est une industrie dominée par la combinaison d’une expertise très spécialisée et complexe, ainsi que par la nécessité de produire en masse à grande échelle pour réduire les coûts.

Aucune entreprise n’a réussi à maîtriser ce modèle économique aussi bien que TSMC, l’entreprise taïwanaise qui dirige le monde dans la fabrication de puces ultra‑avancées.

TSMC produit, bien sûr, principalement des puces en silicium, y compris les puces les plus puissantes de nœuds 3 nm et 2 nm. Et comme elle fabrique principalement les puces les plus avancées et les plus coûteuses, elle contrôle plus de la moitié des revenus mondiaux de l’industrie des fonderies de semi‑conducteurs.

Source: Eric Flaningam

TSMC évolue aujourd’hui pour commencer à produire des puces en silicium aux États‑Unis, notamment grâce à un investissement massif dans ses nouvelles fonderies en Arizona.

Cependant, TSMC est également experte en transistors avancés à base de germanium et autres semi‑conducteurs.

Ainsi, bien que l’entreprise tire principalement ses bénéfices actuels des puces avancées et de la fabrication de matériel d’IA pour des sociétés comme Nvidia (NVDA ), elle pourrait également être l’un des principaux bénéficiaires de la découverte selon laquelle les méthodes de fabrication de semi‑conducteurs courantes peuvent produire.

Dernières actualités et développements boursiers de TSMC (TSM)

Étude référencée :

^{1. Steele, J.A., Strohbeen, P.J., Verdi, C. et al. Supraconductivité dans des films minces épitaxiaux de Ge hyperdopés au Ga substitutionnel. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02042-8}