La molybdénite supplantera-t-elle le silicium dans les circuits intégrés de demain ?

Des chercheurs de l’école Polytechnique Fédérale de Lausanne ont réalisé des transistors en utilisant un nouveau matériau semi-conducteur, de formule MoS­­­2 que l’on peut obtenir sous la forme de couche mono-moléculaire.

Les  transistors constituant  les éléments actifs des circuits intégrés électroniques, on pourrait réaliser des puces plus petites et moins gourmandes en énergie que celles en silicium en utilisant la molybdénite.

 

Schéma en trois dimensions d’un transistor réalisé à partir d’une couche mono-moléculaire de MoS2 d’épaisseur 0,65 nanomètre. Crédit Nature Nanotechnology.

 


Un semi-conducteur est un matériau qui a une conductivité électrique intermédiaire entre celle des métaux et des isolants. Les particules responsables de la conduction, les électrons, se répartissent sur des niveaux d’énergie formant des bandes d’énergie dites bandes de valence et de conduction. A très basse température,  la bande de valence est pleine d’électrons, celle de conduction est vide. Entre ces deux bandes existe une bande interdite aux porteurs de charge appelée « gap », mais cette différence d’énergie est faible ( 1.12 électron-volt dans le silicium) et, par excitation thermique ou sous l’effet d’un champ électrique ou encore sous l’effet d’une excitation lumineuse, des électrons de la bande de valence(la plus basse en énergie) peuvent passer dans la bande de conduction. Ils ont alors plusieurs niveaux d’énergie possibles, ils sont appelés électrons libres et assurent la conduction du courant électrique.
Dans les isolants, le gap est plus élevé ( > 4 eV) et les électrons de la bande de valence ne peuvent passer dans la bande de conduction. Le solide est donc isolant.
Dans les métaux, la bande de conduction est incomplètement remplie, il y a toujours des électrons libres, le solide est conducteur.
*L’électron-volt est l’unité d’énergie couramment utilisée en physique microscopique : 1 eV = 1,6 10¬-19J.

Les circuits intégrés actuels sont, par leur fabrication même (techniques de lithographie) des systèmes à deux dimensions. L’utilisation de matériaux déjà bidimensionnels est donc possible, et si ces derniers sont d’une épaisseur mono-moléculaire, le fonctionnement ne peut en être que plus rapide. Le bisulfure de molybdène est un semi-conducteur qui possède un gap de 1,2 eV sous sa forme tri-dimensionnelle et 1,8 eV sous sa forme de couche mono-moléculaire. Rappelons que celui du silicium est de 1.12 eV.

Détails du transistor à couche mono-moléculaire de molybdénite

C’est un transistor à effet de champ : une tension appliquée à la grille crée un champ électrique dans le matériau, contrôlant ainsi le courant entre les électrodes de source et de drain, ce qui permet d’obtenir une amplification ou une commutation.

Les électrodes sont des dépôts d’or. L’isolant de la grille est un dépôt d’oxyde d’Hafnium de 30 nm d’épaisseur.
*L’abréviation nm désigne le nanomètre, qui vaut 10-9 m, soit un millionième de millimètre.

De tels transistors en MoS2 pourraient être fabriqués par millions sur des matériaux en couche où un substrat isolant en nitride de bore pourrait remplacer le silicium et la silice SiO2,  utilisés ici par commodité. Les couches mono-moléculaires de MoS2ont été obtenues par arrachement avec un ruban adhésif mais on peut aussi les fabriquer en faisant déposer une suspension de MoS2, ce qui permet d’obtenir des films minces de grande surface.

Un des grands avantages des couches mono-moléculaires de MoS2 est qu’elles ont moins épaisses (0,65 nm) que les puces de silicium (2nm); elles occupent ainsi moins de volume et surtout les transistors  ainsi réalisés consomment 100 000 fois moins d’énergie dans leur état de repos que les transistors traditionnels en silicium.

Les couches mono-moléculaires de MoS2 étant transparentes, on peut espérer de nombreuses nouvelles applications dans le domaine de l’optoélectronique et dans celui de l’énergie solaire.

En savoir plus :

  • Single-layer MoS2 transistors
    B. Radisavljevic, A. Radenovic, J. Brivio, V. Giacometti and A. Kis
  • Nature nanotechnology vol 6, march 2011