Des scientifiques de l’Université métropolitaine de Tokyo ont conçu avec succès des nanostructures multicouches de dichalcogénures de métaux de transition qui se rencontrent dans le plan pour former des jonctions. Ils ont développé des couches de structures multicouches de bisulfure de molybdène à partir du bord d’éclats de bisulfure de molybdène dopés au niobium, créant une hétérostructure épaisse, collée et plane. Ils ont démontré que ceux-ci pouvaient être utilisés pour fabriquer de nouveaux transistors à effet de champ tunnel (TFET), des composants de circuits intégrés à très faible consommation d’énergie.
Les transistors à effet de champ (FET) sont un élément essentiel de presque tous les circuits numériques. Ils contrôlent le passage du courant à travers celui-ci en fonction de la tension qui lui est transmise. Alors que les FET à semi-conducteurs à oxyde métallique (ou MOSFET) constituent la majorité des FET utilisés aujourd’hui, la recherche est en cours pour la prochaine génération de matériaux pour piloter des dispositifs de plus en plus exigeants et compacts utilisant moins d’énergie.
C’est là qu’interviennent les FET à effet tunnel (ou TFET). Les TFET reposent sur l’effet tunnel quantique, un effet dans lequel les électrons sont capables de franchir des barrières généralement infranchissables en raison d’effets mécaniques quantiques. Bien que les TFET utilisent beaucoup moins d’énergie et soient proposés depuis longtemps comme une alternative prometteuse aux FET traditionnels, les scientifiques doivent encore trouver un moyen de mettre en œuvre la technologie sous une forme évolutive.
Une équipe de scientifiques de l’Université métropolitaine de Tokyo dirigée par le professeur agrégé Yasumitsu Miyata a travaillé sur la fabrication de nanostructures à partir de dichalcogénures de métaux de transition, un mélange de métaux de transition et d’éléments du groupe 16. Les dichalcogénures de métaux de transition (TMDC, deux atomes de chalcogène pour un atome de métal) sont d’excellents matériaux candidats pour la création de TFET. Leurs récents succès leur ont permis d’assembler des couches épaisses d’un seul atome de feuilles de TMDC cristallin sur des longueurs sans précédent.
Maintenant, ils ont tourné leur attention vers les structures multicouches des TMDC. En utilisant une technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), ils ont montré qu’ils pouvaient produire un TMDC différent à partir du bord de plans cristallins empilés montés sur un substrat. Le résultat était une jonction dans le plan qui avait plusieurs couches d’épaisseur. Une grande partie des travaux existants sur les jonctions TMDC utilisent des monocouches empilées les unes sur les autres; en effet, malgré les superbes performances théoriques des jonctions dans le plan, les tentatives précédentes ne pouvaient pas réaliser les concentrations élevées de trous et d’électrons nécessaires pour faire fonctionner un TFET.
Après avoir démontré la robustesse de leur technique utilisant du disulfure de molybdène issu du diséléniure de tungstène, ils se sont tournés vers le disulfure de molybdène dopé au niobium, un semi-conducteur de type p. En développant des structures multicouches de disulfure de molybdène non dopé, un semi-conducteur de type n, l’équipe a réalisé une jonction pn épaisse entre les TMDC avec une concentration de porteurs sans précédent. De plus, ils ont découvert que la jonction présentait une tendance à la résistance différentielle négative (NDR), où les augmentations de tension entraînent une augmentation de moins en moins importante du courant, une caractéristique clé de l’effet tunnel et une première étape importante pour que ces nanomatériaux pénètrent dans les TFET.
La recherche est publiée dans la revue ACS Nano.
La méthode employée par l’équipe est également évolutive sur de grandes surfaces, ce qui la rend adaptée à la mise en œuvre lors de la fabrication du circuit. Il s’agit d’un nouveau développement passionnant pour l’électronique moderne, avec l’espoir qu’il trouvera sa place dans les applications à l’avenir.
Plus d’information:
Hiroto Ogura et al, Hétérostructures multicouches dans le plan basées sur des dichalcogénures de métaux de transition pour l’électronique avancée, ACS Nano (2023). DOI : 10.1021/acsnano.2c11927