Production of semiconductor chip File photo: VCG

Production de puces semi-conductrices Photo d’archives : VCG

Des chercheurs chinois et américains ont créé conjointement un nouveau type de graphène semi-conducteur stable, qui affiche des performances 10 fois supérieures à celles du silicium et 20 fois supérieures à celles des autres semi-conducteurs bidimensionnels. Cette réalisation marque « un saut des puces de silicium aux puces de carbone », a déclaré au Chine Direct Ma Lei, responsable de la recherche au Centre international de Tianjin pour les nanoparticules et les nanosystèmes (TICNN) de l’Université de Tianjin, qui a dirigé la recherche.

La réalisation, réalisée conjointement par l’équipe de Ma et des chercheurs de l’École de physique du Georgia Institute of Technology aux États-Unis, a été publiée en ligne sur le site Internet de la revue « Nature » le 3 janvier 2024.

Alors que les puces à base de silicium se rapprochent progressivement de la limite physique de deux nanomètres, la demande mondiale de puces basées sur des matériaux semi-conducteurs de haute qualité augmente. Les matériaux bidimensionnels, en raison de leurs excellentes propriétés de transport électronique et de leur potentiel d’intégration élevée, sont devenus une nouvelle frontière dans laquelle les scientifiques et les entreprises de semi-conducteurs du monde entier sont impatients d’investir.

Le graphène, en tant que premier matériau bidimensionnel découvert pouvant exister de manière stable à température ambiante, est au centre des efforts des scientifiques depuis sa découverte en 2004 pour concevoir un nouveau type de puce qui consomme moins d’énergie et fonctionne plus rapidement que les semi-conducteurs existants. Cependant, les cônes de Dirac uniques du graphène conduisent à sa caractéristique de « bande interdite nulle », qui a été le plus grand obstacle à son application dans le domaine des semi-conducteurs.

En contrôlant avec précision le processus de croissance épitaxiale du graphène, l’équipe de Ma a introduit une bande interdite dans le graphène, créant ainsi un nouveau type de graphène semi-conducteur stable, qui présente une mobilité électronique dépassant de loin celle des matériaux à base de silicium. Il affiche des performances 10 fois supérieures à celles du silicium et 20 fois supérieures à celles des autres semi-conducteurs bidimensionnels.

«Nous avons principalement appliqué un environnement et des conditions de croissance spéciaux pour moduler le graphène lui-même à l’aide de cristaux de SiC, obtenant ainsi l’ouverture d’une bande interdite dans le graphène. Cela transforme le graphène initialement sans espace en un matériau avec une bande interdite », a déclaré Ma. Il a noté que ce que l’équipe a créé « est un véritable semi-conducteur de graphène monocristallin ».

Le développement de ce semi-conducteur ouvre non seulement la voie à des dispositifs électroniques hautes performances dépassant les technologies traditionnelles à base de silicium, mais donne également un nouvel élan à l’ensemble de l’industrie des semi-conducteurs. Alors que les limites prédites par la loi de Moore se rapprochent, l’émergence du graphène semi-conducteur annonce un changement fondamental dans le domaine de l’électronique. Ses propriétés révolutionnaires répondent à la demande croissante de vitesses de calcul plus élevées et de dispositifs électroniques intégrés miniaturisés, lit-on dans un rapport publié sur le site Internet de l’Université de Tianjin.

Une fois mis en production à grande échelle, le graphène semi-conducteur monocristallin constituera une base importante pour la transition de l’ère du silicium à l’ère du carbone. Cependant, il faudra encore du temps pour tester si les semi-conducteurs au graphène peuvent conduire à une percée dans l’industrie des puces, a noté Ma.

Lorsqu’on lui a demandé dans quelle mesure les progrès se situeraient par rapport à l’industrialisation, Ma a répondu qu’il ne pouvait actuellement pas le prédire. « Le moment où il pourra être utilisé dans des applications industrielles à grande échelle dépend du processus allant des monocristaux à l’échelle millimétrique aux monocristaux à l’échelle du pouce. »

Dans un rapport connexe publié le 4 janvier par yicai.com, Ma aurait déclaré : « J’estime qu’il faudra encore 10 à 15 ans avant que les semi-conducteurs au graphène puissent véritablement être pleinement mis en œuvre ».

Ma a déclaré que lui et son équipe travaillaient désormais dur pour développer des monocristaux de graphène semi-conducteurs de plus grande taille.

Afin de continuer à promouvoir le développement des semi-conducteurs, les pays et régions du monde entier recherchent activement de nouveaux matériaux et paradigmes en plus des matériaux bidimensionnels. En novembre 2023, Huawei et le Harbin Institute of Technology ont déposé une demande conjointe pour une « méthode de liaison hybride pour les puces intégrées tridimensionnelles à base de silicium et de diamant ». En septembre 2023, le média japonais Nikkei a rapporté que la start-up japonaise OOKUMA prévoyait de commercialiser des semi-conducteurs en diamant et commencerait la production dès l’exercice 2026.

Avec l’intensification de la concurrence, les États-Unis ont renforcé leurs mesures de contrôle des exportations de puces vers la Chine, supprimant de manière déraisonnable les entreprises chinoises de semi-conducteurs et tentant « d’étrangler » la Chine dans le domaine des puces semi-conductrices.

Dans ce contexte, les réalisations des équipes chinoises et américaines ont retenu une attention particulière. Selon Ma, l’intensification de la concurrence sino-américaine dans le domaine des semi-conducteurs a en effet eu un impact sur la coopération entre les équipes scientifiques des deux pays, notamment sur l’échange d’informations et d’échantillons. Mais dans l’ensemble, la coopération entre les deux équipes a été fructueuse.

« Une concurrence saine est un facteur important pour promouvoir le développement, tandis qu’une concurrence malveillante entrave le développement de la technologie. J’espère que la coopération est la norme et que la concurrence est un stimulant. Avec la coopération comme élément dominant, une concurrence appropriée rendra le développement scientifique de mieux en mieux », a noté Ma.

★★★★★

A lire également