Des chercheurs améliorent les performances de l’électronique 2D

Les semi-conducteurs bidimensionnels (2D) ont une propriété unique qui permet de réduire leur épaisseur à un ou quelques atomes – et cette propriété pourrait potentiellement minimiser les effets de canal court qui restent un problème dans les transistors avancés à base de silicium, par exemple, allumer un transistor prématurément.

Malgré le potentiel que possèdent les semi-conducteurs 2D pour remplacer à l’avenir les matériaux semi-conducteurs conventionnels comme le silicium, un défi majeur demeure : leur faible mobilité des porteurs à température ambiante, causée par une forte diffusion entre les électrons et les phonons.

Les conditions routières et de circulation déterminent le temps et l’énergie qu’une personne consacre à se déplacer d’un endroit à un autre. De la même manière, la mobilité des porteurs mesure la rapidité avec laquelle un porteur, tel qu’un électron ou un trou, peut se déplacer à travers un matériau lorsqu’il existe un champ électrique. Cette caractéristique détermine également si un matériau semi-conducteur convient aux appareils électroniques.

Une mobilité élevée des porteuses peut réduire efficacement la dissipation de puissance dans les circuits intégrés et réduire la consommation électrique globale, prolongeant ainsi la durée de vie des dispositifs ou systèmes électriques, ainsi que les coûts de fonctionnement de ces dispositifs ou systèmes.

Des chercheurs de l’Institut de recherche et d’ingénierie des matériaux (IMRE) de l’Agence pour la science, la technologie et la recherche (A*STAR), de l’Université Fudan, de l’Université nationale de Singapour et de l’Université polytechnique de Hong Kong ont récemment découvert que placer des matériaux 2D sur des substrats avec des morphologies bombées peut améliorer la mobilité des porteurs à température ambiante de deux ordres. Ces renflements créent des ondulations dans le matériau, déformant ainsi sa structure en treillis, déplaçant un ou plusieurs atomes de leur position d’origine dans une structure idéale.

Cette approche contraste avec les stratégies conventionnelles qui reposent sur des structures de réseau parfaites pour améliorer la mobilité des porteurs, car toute forme d’impureté ou de distorsion du réseau est considérée comme affectant négativement la mobilité.

Dans une étude publiée dans Électronique naturelle en juin 2022, les chercheurs ont observé que le disulfure de molybdène 2D ondulé (MoS2) avec des distorsions de réseau crée une polarisation électrique plus importante qui peut renormaliser la fréquence des phonons. Cette fréquence de phonon renormalisée réduit efficacement la force de diffusion entre les électrons et les phonons, augmentant ainsi la mobilité des porteurs dans MoS2. Cela signifie que les électrons peuvent désormais se déplacer plus rapidement à travers le matériau.

Les résultats de l’étude montrent que la mobilité des porteurs à température ambiante est améliorée de deux ordres dans le MoS2 ondulé, atteignant environ 900 cm2 V-1 s-1. Le résultat observé dépasse la mobilité de porteur limitée par les phonons prédite du MoS2 plat de 200 à 410 cm2 V-1 s-1.

Grâce à l’étude, la création de renflements dans la structure en treillis de MoS2 a permis de surmonter la limite intrinsèque de mobilité des porteurs du matériau. Cela ouvre la voie à l’utilisation de MoS2 et d’autres matériaux 2D dans la création de transistors à effet de champ et de dispositifs thermoélectriques aux performances compétitives à température ambiante.

« Notre approche est simple et rentable, démontrant l’ingénierie des réseaux comme une stratégie efficace pour créer des dispositifs électroniques et thermoélectriques à température ambiante hautes performances pour l’électronique future », a déclaré le Dr Wu Jing, scientifique à l’IMRE d’A*STAR.

« Nous révélons en outre le mécanisme sous-jacent selon lequel l’amélioration de la mobilité des porteurs est due à la suppression de la diffusion électron-phonon et à l’augmentation de la constante diélectrique intrinsèque induite par les structures ondulées dans le semi-conducteur 2D. Les deux jouent des effets synergiques pour stimuler la mobilité intrinsèque des porteurs », a déclaré le Dr Yang Ming, professeur adjoint au Département de physique appliquée de l’Université polytechnique de Hong Kong.