- Le laboratoire de recherche américain Georgia Tech d’Atlanta a mis au point un semi-conducteur à base de graphène.
- Ce qui constitue, selon ses inventeurs, une première mondiale.
- Ce semi-conducteur permettrait d’accélérer les capacités de traitement et pourrait être exploité par les futurs ordinateurs quantiques.
Walter de Heer, professeur de physique à Georgia Tech, a dirigé une équipe de chercheurs basée à Atlanta, en Géorgie, et à Tianjin, en Chine, pour produire un semi-conducteur en graphène compatible avec les méthodes conventionnelles de fabrication microélectronique. Les résultats de ces travaux de recherche ont été publiés le 3 janvier dans la revue Nature.
Les composants semi-conducteurs, essentiels de tout appareil électronique, présentent des propriétés à la fois conductrices et isolantes. Cependant, le silicium qui compose l’essentiel des semi-conducteurs, atteint ses limites en termes de vitesse, de production de chaleur et de miniaturisation. Ces contraintes freinent la progression des capacités de traitement des équipements l’informatique.
Le graphène, se révélant comme davantage conducteur que le silicium, facilite le mouvement des électrons à travers le matériau. Malgré ces avantages, les tentatives précédentes d’intégration du graphène dans l’électronique se sont heurtées à des difficultés liées à l’absence de bande interdite, un facteur essentiel aux fonctionnement des transistors. Walter de Heer et son équipe ont surmonté cet obstacle majeur qui entrave la recherche sur le graphène depuis des décennies, et à cause duquel ce matériau n’était pas adapté à la conception de composants électroniques. La « bande interdite » est une propriété électronique cruciale des semi-conducteurs. Elle leur permet de conduire l’électricité dans certaines conditions mais pas dans d’autres.
C’est ce que rappelle Lei Ma, directeur du Centre international pour les nanoparticules et les nanosystèmes de l’université de Tianjin (Chine) et coauteur de l’article : « un problème de longue date empêchait l’utilisation du graphène dans l’électronique. Le graphène n’a pas la bande interdite requise. Il ne peut donc pas commuter de l’état d’isolant à celui de conducteur dans le rapport souhaité. Au fil des ans, de nombreuses chercheurs ont tenté de résoudre ce problème à l’aide de diverses méthodes. Notre technologie permet d’obtenir la bande interdite requise. Ce qui constitue une étape cruciale dans la réalisation de composants électroniques à base de graphène. »
Les chercheurs se sont focalisés sur l’exploitation du graphène épitaxial, une structure cristalline de carbone chimiquement liée au carbure de silicium (SiC). Ce nouveau matériau semi-conducteur, appelé graphène épitaxial semi-conducteur (SEC) – ou épigraphène – présente une mobilité électronique accrue par rapport à celle du silicium traditionnel, ce qui permet aux électrons de se déplacer avec beaucoup moins de résistance. Ce qui offrirait la possibilité de concevoir des transistors capables d’opérer à des fréquences de l’ordre du térahertz à des vitesses 10 fois plus importantes que celles des transistors à base de silicium utilisés actuellement dans les puces électroniques.
Le graphène présente trois propriétés particulièrement intéressante pour l’électronique. Il s’agit d’un matériau extrêmement robuste, capable de supporter des courants très importants, sans s’échauffer ni se désagréger.
Pour réaliser ce semi-conducteur à base de graphène, les chercheurs ont mis en œuvre une méthode reposant sur une technique connue depuis plus de 50 ans. Il est reconnu depuis 2008 qu’il est possible de faire en sorte que le graphène se comporte comme un semi-conducteur en le chauffant sous vide avec du carbure de silicium (SiC). Cependant la méthode mise au point dans le cas présent se distingue au niveau de la bande interdite. Le carbure de silicium est chauffé à plus de 1 000 °C. Le silicium s’évapore de la surface, laissant une surface riche en carbone qui se transforme ensuite en graphène.
