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Du graphène transformé en un véritable semi-conducteur

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Des chercheurs de l'université d'Erlangen-Nuremberg (Allemagne) viennent de trouver un moyen de donner des propriétés de véritable semi-conducteur au graphène. Cette découverte pourrait bien être le début du déclin de l'ère du tout silicium.

On a déjà réalisé des prototypes de puces à partir de graphène, mais en raison de l'absence de gap, il fallait faire des concessions et le mixer avec d'autres matériaux. Les performances du graphène n’étaient donc pas exploitées à leur juste valeur. Le silicium avait alors toujours une longueur d'avance, mais c'était sans compter sur la découverte des chercheurs allemands de l'université d'Erlangen-Nuremberg. © IBM

Le site du journal Naturevient de publier un article émanant d'une équipe de chercheurs de l'université d’Erlangen-Nuremberg en Allemagne. Leur découverte pourrait marquer la fin de l'ère du silicium dans l'univers des semi-conducteurs. Ils sont en effet parvenus à créer des transistors à partir de graphène.

Rappelons que le graphène est une feuille d'un seul atome d'épaisseur, de cristal de carbone bidimensionnel composé de cellules hexagonales. Ses propriétés de conductivité électrique et de résistance mécanique sont particulièrement intéressantes. C'est notamment le champion du monde de la conductivité, puisqu'il est capable de faire transiter les charges électriques à des vitesses situées entre 100 GHz et 1 THz, ce qui permet des vitesses de commutation très rapides pour une alimentation en énergie plus faible, par rapport au silicium.

C'est pourquoi, depuis sa découverte en 2004 à Manchester, l'industrie mise sur ce matériau qui pourrait succéder au silicium en raison de ses performances et de la possibilité d'aller beaucoup plus loin dans la finesse de gravure.

Mais il y a un hic : le graphène n'est pas vraiment un semi-conducteur car il n'a pas de « gap ». Cette caractéristique traduit le fait que le matériau est conducteur ou pas selon la tension appliquée. Le silicium a bien sûr cette propriété. C'est sur cette carence du graphène que des scientifiques du monde entier buttent depuis des années.

Comment rendre du graphène semi-conducteur ?

Pour conférer cette capacité semi-conductrice au graphène, les chercheurs de l'université d'Erlangen ont rusé. Ils ont utilisé de fines plaques de cristaux de carbure de silicium, un minéral artificiel qui peut être considéré comme un semi-conducteur lorsqu'il est monocristallin. En le chauffant à une forte température, les atomes de silicium peuvent être chassés de la couche supérieure du cristal, et laisser à la place une fine couche de carbone, sous la forme d'une feuille de graphène.

Lors de leur expérimentation, les scientifiques sont parvenus à donner des propriétés de semi-conducteur au graphène en lui ajoutant du carbure de silicium. Sur ce schéma, le courant envoyé par la porte (Gate graphene) circule entre la source, à gauche, et le drain, à droite (Contact graphène). Le courant circule sur la couche de carbure de silicium (conducting layer) qui est la couche d’inversion. C’est elle qui sert à la fois d’isolant et de conducteur pour donner ses propriétés d’interrupteur (0-1) au transistor. © Nature communication

Associé au graphène, le carbure de silicium lui confère des capacités de semi-conductivité. L'équipe de chercheurs avait fait cette découverte, il y a maintenant 3 ans, mais c'est dernièrement qu'ils ont pu créer un prototype fonctionnel. Ils se sont associés à l'institut de recherche suédois Acreo AB pour créer un véritable prototype de transistor fonctionnel. Ainsi, à l'aide d'un faisceau déployant une énergie colossale, ils ont dessiné les canaux constituant les transistors directement sur des plaquettes de carbure de silicium.

Lors de cette manipulation, il fallait passer par une étape cruciale et délicate consistant à insérer un peu de gaz d'hydrogène entre les deux couches de matériaux aux endroits où la semi-conductivité est souhaitée. 

Un prototype trop gros pour remplacer le silicium 

Côté performances, les résultats correspondaient aux attentes théoriques des chercheurs même si leur étude montre qu'ils pourraient les améliorer en réalisant quelques modifications assez simples.

Il reste tout de même un écueil : celui de la miniaturisation. Pour réaliser leur prototype, les chercheurs ont effectué leur travail sur un modèle de très grande échelle. Chaque transistor mesurait environ 100 µm de diamètre. Trop gros pour remplacer des transistors au silicium pour le moment.

Toutefois, avec cette avancée, l'université d'Erlangen-Nuremberg a apporté ce qui manquait cruellement au graphène pour l'utiliser comme semi-conducteur. Avec leurs laboratoires et leur savoir-faire, des fondeurs comme IBM ou Intel pourraient à l'avenir réduire la taille de ces transistors en graphène. Enterrera-t-on le silicium ?