Vers l’infiniment petit : une percée majeure pour remplacer nos vieilles puces en silicium

Quand le silicium atteint ses limites

On a tous entendu parler de la course à la puissance, n’est-ce pas ? Nos ordinateurs, nos téléphones, tout devient plus rapide, plus petit… mais on arrive à un mur. Le bon vieux silicium, ce matériau qui fait tourner notre monde numérique depuis des décennies, commence à s’essouffler. Les ingénieurs, eux, ne baissent pas les bras et cherchent activement des remplaçants. Parmi les candidats les plus sérieux, on trouve les semi-conducteurs bidimensionnels (2D), comme le disulfure de molybdène (MoS₂). Pourquoi lui ? Eh bien, sa finesse incroyable et sa résistance aux effets de canal court pourraient permettre de fabriquer des appareils électroniques encore plus petits et performants. C’est prometteur, sur le papier.

Mais voilà, il y a un hic. Pour fabriquer des transistors avec ces matériaux 2D, il faut pouvoir y fixer des connexions électriques, ce qu’on appelle des contacts ohmiques, pour laisser passer le courant. Ça semble simple, dit comme ça, mais quand on réduit la taille des appareils, les contacts doivent aussi rétrécir. Et c’est là que ça coince : attacher des contacts minuscules sur ces surfaces 2D s’est révélé être un véritable casse-tête technique. C’est un peu comme essayer de souder un fil électrique sur une bulle de savon sans la faire éclater. Heureusement, une équipe de chercheurs de l’Université de Nanjing, en collaboration avec d’autres instituts chinois, vient peut-être de trouver la clé du problème.

L’antimoine à la rescousse : une méthode de croissance inédite

Alors, qu’ont-ils fait exactement ? Ils ont mis au point une stratégie assez ingénieuse pour faire pousser des contacts en cristal d’antimoine semi-métallique, ultra-courts et à faible résistance, directement sur du MoS₂. Publiée dans la prestigieuse revue Nature Electronics en 2025, leur approche a permis de créer des transistors ultra-petits basés sur ce fameux matériau 2D. Xinran Wang, l’auteur principal de l’étude, expliquait récemment à Tech Xplore que la mise à l’échelle des transistors au-delà du nœud de 1 nanomètre restait un rêve insaisissable jusqu’ici, malgré l’attente énorme de l’industrie.

Le problème, selon Wang, ce n’est pas tant la réduction du canal (la partie où circule le courant), mais bien le contact. C’est lui qui bride les performances. Il y a cette résistance de contact, notée Rc, qui devient énorme quand la longueur du contact (Lc) diminue. Pour les matheux, la formule ressemble à ça : Rc s’ajuste avec la longueur de contact Lc, où la longueur de transfert (LT) représente l’échelle à laquelle les porteurs de charge passent du métal au semi-conducteur. Pour atteindre le nœud de 1 nm, il faut impérativement que ce LT soit inférieur à 20 nm. C’est incroyablement difficile avec les contacts de type van der Waals qu’on trouve habituellement dans les semi-conducteurs 2D. C’est là que leur méthode de fabrication change la donne.

Ils n’ont pas simplement posé le métal dessus ; ils ont utilisé l’épitaxie par jets moléculaires (MBE). Weisheng Li, co-premier auteur, raconte comment ça se passe : ils chauffent le substrat sous ultra-vide et déposent les atomes d’antimoine à une vitesse contrôlée au millimètre près. Ça laisse le temps aux atomes de se « poser » tranquillement dans leur état d’énergie le plus bas. Résultat ? Les atomes s’arrangent spontanément selon une orientation cristalline spécifique, le Sb(012), formant une interface de contact intime et parfaite avec le MoS₂.

Des performances qui défient l’évaporation classique

Franchement, la différence de qualité est flagrante. Cette stratégie basée sur le MBE surpasse largement les techniques classiques de dépôt par évaporation qu’on utilise partout. Ils ont obtenu des cristaux Sb(012) presque purs, avec des grains deux ordres de grandeur plus gros que la normale. C’est énorme. Grâce à cette qualité supérieure, la résistance de contact ne se dégrade presque pas, même quand on descend jusqu’à une taille de 18 nanomètres. Pour vous donner une idée, avec les contacts en antimoine évaporés par faisceau d’électrons classiques, ça commence à se gâter dès 60 nm.

Et les chiffres parlent d’eux-mêmes : ils ont extrait une longueur de transfert (LT) d’environ 13 nm. À notre connaissance, c’est la seule technologie de contact sur semi-conducteur 2D qui parvient à respecter la cible du nœud de 1 nm. Wang, visiblement fier, a souligné qu’avant ça, les gens pensaient que les transistors 2D pouvaient être utiles, mais personne n’avait réussi à prouver expérimentalement leur efficacité à une échelle aussi minuscule. C’est un peu comme passer de la théorie à la pratique avec brio.

Cette avancée pourrait bien accélérer la transition du laboratoire vers l’usine (le fameux « lab-to-fab »). D’ailleurs, en 2025, l’IMEC a publié sa feuille de route, et devinez quoi ? Les semi-conducteurs 2D sont considérés comme les options ultimes pour la réduction de la taille des transistors. Le travail de l’équipe chinoise rend cette vision beaucoup plus concrète aujourd’hui.

Conclusion : Et maintenant, on va où ?

Bien sûr, ne nous emballons pas trop vite, il reste du pain sur la planche. Comme le dit très justement Xinran Wang, « beaucoup reste à faire ». La priorité maintenant, c’est d’optimiser la fiabilité et la capacité de produire cette technologie de contact en masse. On ne peut pas se contenter d’un succès en labo, il faut que ça tienne la route en production industrielle.

Il y a aussi un autre défi de taille : le contact de type p (avec, par exemple, le WSe2), qui est encore à la traîne par rapport à son homologue de type n dont nous venons de parler. Il va falloir développer des stratégies de dopage et des empilements de grille (gate stack) avec une faible densité de pièges d’interface. L’optimisation conjointe conception-technologie, ou DTCO (Design-Technology Co-Optimization), sera cruciale pour avancer. Mais bon, c’est une étape passionnante vers des appareils électroniques toujours plus puissants et invisibles.

Selon la source : techxplore.com

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