Un pas en avant dans la quête pour remplacer le silicium par des puces 2D

Les semi-conducteurs bidimensionnels ont une chance de galvaniser des avancées significatives dans les capacités des appareils électroniques, en remplaçant les puces à base de silicium. Cependant, de nombreux problèmes continuent de freiner ces appareils.

Un problème majeur est la mobilité des porteurs, ou la vitesse à laquelle les électrons peuvent se déplacer à travers les semi-conducteurs. Ces semi-conducteurs 2D sont notoirement lents dans ce domaine, ce qui limite la possibilité d’améliorations et d’applications dans le monde réel.

Des chercheurs de l’Université du Texas à Austin ont découvert plus d’une douzaine de matériaux différents pour les semi-conducteurs 2D qui pourraient permettre aux électrons de se déplacer rapidement, ce qui ouvre la porte à un saut dans les capacités de l’électronique.

“Si vous pouvez remplacer le silicium par des semi-conducteurs 2D, cela conduira à des appareils plus rapides qui consomment beaucoup moins d’énergie”, a déclaré Yuanyue Liu, professeur adjoint au département de génie mécanique de la Cockrell School of Engineering et au Texas Materials Institute, qui dirige le projet.

La recherche a été récemment publiée dans Lettres d’examen physique.

La grande différence entre les semi-conducteurs traditionnels à base de silicium et les semi-conducteurs 2D est leur géométrie. Les semi-conducteurs 2D sont beaucoup plus minces, seulement quelques couches atomiques d’épaisseur. Ceci est avantageux à bien des égards, car la volonté de réduire la taille des semi-conducteurs continue de prendre de l’ampleur.

La nature compacte des semi-conducteurs 2D crée également des problèmes. Les électrons sont entassés, sans grande liberté de mouvement. Les sources de diffusion peuvent plus facilement les faire dérailler dans ces espaces plus petits, c’est pourquoi la mobilité des porteurs est généralement faible dans les semi-conducteurs 2D, ce qui empêche d’améliorer la puissance et l’efficacité.

Les 14 matériaux découverts par les chercheurs avec une mobilité élevée des porteurs font exception à ce problème. Des propriétés uniques parmi ces matériaux rendent les électrons plus transparents, les rendant essentiellement invisibles aux diffusions et permettant aux électrons de garder le cap.

Pour trouver ces matériaux, les chercheurs ont utilisé une base de données de matériaux existante et une liste de contrôle des caractéristiques qui, selon eux, conduiraient à une mobilité améliorée. Ils ont ensuite utilisé une méthode de mécanique quantique pour calculer avec précision la mobilité des porteurs dans les matériaux.

“Le fait que nous n’ayons trouvé que 14 matériaux avec une mobilité potentiellement élevée des porteurs sur des milliers ne contredit pas la sagesse conventionnelle”, a déclaré Liu. “Cela montre à quel point il est difficile de trouver des semi-conducteurs 2D avec une mobilité élevée des porteurs.”

La prochaine étape, dit Liu, consiste à s’associer à des chercheurs expérimentaux et à travailler sur la fabrication de matériaux pour tester et vérifier leurs découvertes. Bien que Liu soit confiant dans les résultats, il a averti qu’ils sont encore théoriques et devront être confirmés par des tests dans le monde réel.

Parmi les autres membres de l’équipe du projet figurent Chenmu Zhang, Ruoyu Wang et Himani Mishra, tous du département de génie mécanique de Walker et du Texas Materials Institute.