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Construire les semi-conducteurs à l’échelle des atomes

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Pour la première fois, on a pu repérer précisément les atomes individuels de dopants dans un semi-conducteur. Conclusion : ils ne sont pas du tout rangés comme on le voudrait ! Cela s'est passé chez IBM grâce une technique connue mais récente, la sonde atomique tomographique. De quoi descendre encore dans l'échelle de la nanoélectronique...

A gauche, les atomes de dopants (en violet) tels qu’ils ont été repérés par la sonde atomique tomographique, serrés les uns contre les autres en petits anneaux. A droite, la répartition idéale que les électroniciens aimeraient obtenir un jour… © IBM

Jusqu'à présent, pour fabriquer un semi-conducteur, on ajoute au silicium des impuretés, appelées aussi dopants, qui déterminent précisément ses propriétés conductrices. Lors de cette opération - le « dopage » -, les atomes d'impuretés se répartissent au petit bonheur. On aimerait pourtant qu'ils se rangent sagement, le plus régulièrement possible. En fait, personne ne sait vraiment ce qu'ils deviennent une fois inclus dans le silicium. Pourtant, si l'on veut améliorer encore les performances et la miniaturisation des circuits, il faut atteindre l'échelle atomique pour y mettre un peu d'ordre...

Les ingénieurs n'y sont pas encore mais chez IBM, on a voulu regarder de plus près ces atomes de dopants. Leur résultats viennent d'être publiés dans Science et montrent que l'on est loin de la répartition uniforme espérée par les électroniciens.. Pour détecter individuellement les atomes qu'ils venaient d'introduire dans le silicium, les scientifiques ont utilisé une sonde atomique tomographique. Construit par la société américaine Imago, cet instrument d'un nouveau genre a été conçu dans les années 1990 au Groupe de physique des matériaux (GPM) de l'Université de Rouen (CNRS).

Drôle d’atmosphère

Son principe est de soumettre l'échantillon - qui doit être conducteur d'électricité - à un fort champ électrique et au vide. Des atomes sont alors arrachés et propulsés sur un détecteur. La durée de ce petit vol dépend de la masse tandis que l'endroit où ils arrivent indiquent leur position initiale dans l'échantillon.

Repérés par cette sonde, les atomes de dopants sont apparus réunis en cordons plus ou moins circulaires. Cette disposition correspond, expliquent les auteurs de l'étude, à une « atmosphère de Cottrell ». Cette expression désigne une concentration d'atomes piégés autour d'une dislocation (c'est-à-dire un défaut du réseau cristallin) et dont le volume se mesure en nanomètres ou en dizaines de nanomètres. L'existence de ces minuscules structures avait été avancée en 1949 par deux physiciens, Cottrell et Bilby, pour expliquer certaines propriétés des matériaux déformés.

La découverte de telles atmosphères dans un semi-conducteur n'est pas une surprise mais elle démontre que les techniques de dopages peuvent être largement améliorées. Avec ce nouvel instrument, les chercheurs d'IBM espèrent mieux parvenir à maîtriser le positionnement des atomes.