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Un transistor à base de silicène : de la théorie à la pratique

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Il y a quelques années encore, le silicène, un proche cousin du graphène, n'existait que dans les rêves des théoriciens. Et voilà qu'en quelques mois, ces feuilles de silicène ont pu être produites en laboratoire. Elles ont même été utilisées tout récemment pour la conception de transistors.

Le microscope à effet tunnel révèle une image d'une couche mince de silicène présentant un agencement en nid d'abeilles des atomes de silicium sur une surface d'argent (Ag 111). © P. Vogt (TU Berlin) et G. Le Lay (Marseille)

Des chercheurs de l'université du Texas (Austin, États-Unis) et de l'Institut de microélectronique et des microsystèmes d'Agrate Brianza (Italie) viennent de présenter le tout premier transistor construit à partir de feuilles de silicène. Ses performances sont modestes et sa durée de vie n'excède pas les quelques minutes. Ce n'est donc pas encore demain que ces transitors nouvelle génération se retrouveront dans nos téléphones portables. Pourtant, la nouvelle fait sensation dans le milieu de la recherche et de l'industrie des semi-conducteurs.

En 1994, les théoriciens ont, pour la première fois, suggéré l'existence du silicène. À l'image du graphène, qui est constitué d'une unique couche d'atomes de carbone, le silicène serait constitué d'une unique couche d'atomes de silicium. De ce fait, il allierait les caractéristiques semi-conductrices du silicium et les propriétés électroniques du graphène. Mis en place au cœur de systèmes électroniques, il pourrait permettre à l'industrie de poursuivre sa marche vers une miniaturisation ultime.

Car, si le graphène présente des caractéristiques remarquables, comme son ultra légèreté, son ultra résistance ou encore son extrême conductivité, il ne présente pas de bande interdite. Or, cette bande interdite est à la base de la conception de systèmes clés de l'électronique comme les transistors. Grâce à une structure légèrement ondulée et, de fait, à des électrons placés dans des états d'énergie légèrement différents, le silicène, quant à lui, tout comme le silicium dont il est issu, dispose bien d'une bande interdite.

a. Structure en nid d'abeilles ondulé du silicène. b. Les étapes de fabrication du premier transistor à base de silicène. Le silicène se dépose sur une couche d'argent. Le tout est ensuite recouvert d'alumine (Al2O3). Puis, la structure est retournée et déposée sur du dioxyde de silicium (SiO2). Enfin, l'alumine est décapée sur la partie centrale. © Microélectronics Research Centre, université du Texas, Laboratorio MDM, IMM-CNR, Sensors and Electron Devices Directorate, US Army Research Laboratory

Seulement, l'expérience a montré qu'il n'était pas simple de fabriquer du silicène. Alors que le graphène peut facilement être obtenu en pelant un bloc de graphite solide, le processus de fabrication du silicène est plus délicat. Il nécessite en effet de vaporiser du silicium et de le laisser ensuite se condenser sur un bloc cristallin d'argent. Le tout, dans une chambre à vide. Contrairement au graphène, le silicène est aussi extrêmement instable dans l'air, ce qui, dans la pratique, rend son usage plutôt compliqué.

Vaincre l'instabilité du silicène

Les chercheurs de l'université du Texas et de l'Institut de microélectronique et des microsystèmes d'Agrate Brianza ont eu l'idée de protéger le silicène déposé sur une mince couche d'argent grâce à une couche de 5 nanomètres d'épaisseur d'alumine. Ils ont ensuite retourné cette structure feuilletée qu'ils ont déposée sur un substrat de dioxyde de silicium. Enfin, ils ont délicatement enlevé la partie centrale de la couche d'argent de façon à ce qu'il ne reste que deux électrodes métalliques aux extrémités d'une bande nue de silicène.

Le transistor ainsi fabriqué n'a pas fonctionné plus de deux minutes. Bien que les électrons se soient montrés plus lents que dans le graphène, cela a suffi à vérifier que le silicène présentait bien une petite bande interdite. « Maintenant que ce premier pas a été franchi, d'autres laboratoires vont s'intéresser de près à ce matériau », assure Guy Le Lay, spécialiste des sciences de la matière à l'université d'Aix-Marseille et pionnier de l'aventure silicène.

Ainsi, pour prolonger la durée de vie de ces transistors nouvelle génération, les chercheurs songent déjà à ajouter un revêtement protecteur. Le Teflon, par exemple, qui a déjà fait ses preuves sur du phosphorène (un autre matériau bidimentionnel sensible à l'air) et qui a permis d'en étendre la durée de vie à plusieurs mois. Ou, pourquoi pas, le silicène lui-même. En utilisant plusieurs couches de silicène, les couches supérieures pourraient, en effet, être uniquement destinées à protéger la couche fonctionnelle.

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