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Qu'est-ce que Matériaux 2D ?

Matériaux lamellaires qui restent stables à une épaisseur d'une à quelques couches atomiques. Des semi-conducteurs comme le MoS2 peuvent former des canaux extrêmement minces, difficiles à obtenir avec le silicium ; ils sont donc étudiés pour les futurs transistors ultra-miniaturisés.

Nom japonais: 2次元材料

« Matériaux 2D » apparaît dans 3 questions d'entraînement réparties sur 3 thèmes, dont Croissance épitaxiale, Transistors avancés (FinFET et GAA), Gravure.

Domaine: Transistors avancés (FinFET et GAA)

Ce que sont les matériaux 2D

Les matériaux 2D sont une ou quelques couches prélevées dans des cristaux lamellaires où les atomes sont fortement liés par covalence dans chaque plan, tandis que les plans sont maintenus ensemble par de faibles forces de van der Waals. Des exemples typiques sont le graphène (carbone), le nitrure de bore hexagonal (hBN, un isolant) et les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) semi-conducteurs. Les TMD associent un métal de transition comme le molybdène ou le tungstène à un chalcogène comme le soufre ou le sélénium ; une couche de MoS2 fait environ 0,65 nm d'épaisseur. Le graphène n'a pas de bande interdite : les TMD sont donc les principaux candidats pour les canaux de transistors.

Pourquoi ils conviennent aux canaux ultra-minces

Supprimer l'effet de canal court exige un canal mince par rapport à la longueur de grille. Quand le silicium est aminci sous quelques nanomètres, la diffusion due à la rugosité de surface réduit fortement la mobilité, et de petites variations d'épaisseur décalent la tension de seuil. Les matériaux 2D n'ont pas de liaisons pendantes en surface et leur épaisseur de couche est fixée par le matériau, si bien qu'ils restent semi-conducteurs même sous 1 nm. Ils sont donc candidats pour amincir encore les canaux des transistors GAA à nanofeuillet et des CFET, le MoS2 étant étudié pour les dispositifs de type n et le WSe2 pour ceux de type p.

Contacts et diélectriques de grille difficiles

Une résistance de contact élevée avec les électrodes métalliques a été un problème majeur des transistors en matériaux 2D. En 2021, des chercheurs du MIT, de TSMC, de l'université nationale de Taïwan et d'autres ont rapporté que des contacts en bismuth semi-métallique réduisent fortement la résistance de contact avec le MoS2 monocouche. L'absence de liaisons pendantes joue en revanche contre la formation du diélectrique de grille : les précurseurs du dépôt de couches atomiques (ALD) s'adsorbent mal sur la surface, si bien que les films high-k ne croissent pas uniformément ; des couches d'amorçage et d'autres techniques sont à l'étude.

Défis pour la production en volume

Former des monocouches uniformes et peu défectueuses sur toute une plaquette de 300 mm reste difficile, et quand des films crûs à haute température sur un autre substrat sont transférés, les plis, la contamination et les déchirures posent problème. Obtenir de bonnes performances en type p et contrôler la conduction par dopage comme dans le silicium sont aussi des défis. Au milieu des années 2020, les canaux en matériaux 2D sont étudiés pour les générations qui suivront le nanofeuillet de silicium.

S'entraîner : questions sur Matériaux 2D

Quelle technique au stade de la recherche fait croître un cristal sur un substrat recouvert d'un matériau 2D comme le graphène, de sorte que la couche crûe puisse être décollée et le substrat réutilisé ?

  1. AÉpitaxie à distance (remote epitaxy)
  2. BDiffusion thermique
  3. CSoudure anodique
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Réponse : A. Épitaxie à distance (remote epitaxy)

En épitaxie à distance, le substrat est recouvert de 1 à 2 couches atomiques de graphène ou analogue, sur lesquelles on fait croître le cristal. Le graphène étant suffisamment mince, le potentiel des atomes du substrat le traverse et transmet l'information cristalline, d'où un monocristal ; mais la couche n'étant pas liée chimiquement au substrat, elle se décolle facilement, par exemple avec un ruban adhésif, et le substrat peut être réutilisé. On en attend la réutilisation de substrats coûteux en GaAs ou SiC et des applications aux dispositifs flexibles.

Questions fréquentes

Pourquoi le graphène n'est-il pas utilisé comme canal de transistor ?

Le graphène n'a pas de bande interdite, si bien qu'une tension de grille ne peut pas bloquer suffisamment le courant. Pour les transistors logiques, on étudie des dichalcogénures de métaux de transition possédant une bande interdite, comme le MoS2 et le WSe2.

Pourquoi les canaux en matériaux 2D gardent-ils leur mobilité même très minces ?

Leur surface n'a pas de liaisons pendantes et leur épaisseur est uniforme à l'échelle atomique, si bien que la diffusion par rugosité de surface et les variations d'épaisseur observées dans le silicium ultra-mince sont bien plus faibles.

Quels sont les principaux défis des transistors en matériaux 2D ?

La résistance de contact avec les métaux, le dépôt uniforme des diélectriques de grille, des films peu défectueux sur de grandes surfaces, les performances en type p et le contrôle du dopage.

« Matériaux 2D » dans les explications

Questions mentionnant « Matériaux 2D » (3)

  1. Quelle technique au stade de la recherche fait croître un cristal sur un substrat recouvert d'un matériau 2D comme le graphène, de sorte que la couche crûe puisse être décollée et le substrat réutilisé ?
  2. Quelle est la caractéristique des matériaux comme le disulfure de molybdène (MoS2), étudiés comme matériaux de canal des futurs transistors ultra-miniaturisés ?
  3. Quelle méthode de gravure au stade de la recherche neutralise les ions produits par un plasma avant de les diriger sur la plaquette, afin de limiter les dommages dus aux charges et aux ultraviolets ?

Termes associés

GAA (grille enrobante, gate-all-around) GaAs (arséniure de gallium) SiC (carbure de silicium) Mobilité Plasma CFET (FET complémentaire) DTCO (co-optimisation conception-technologie) EOT (épaisseur d'oxyde équivalente) FD-SOI (SOI totalement déplété) FinFET

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