Plus tôt ce mois-ci, des chercheurs du Georgia Institute of Technology d'Atlanta ont publié un article dans la revue Nature. L'étude porte sur la production de graphène épitaxial à partir de carbure de silicium (SiC). Le graphène épitaxial semi-conducteur (SEC), également connu sous le nom de graphène épitaxial, a une mobilité électronique beaucoup plus élevée que le silicium.
Cela signifie qu'après 10 ans de recherche, les chercheurs affirment avoir enfin créé le premier semi-conducteur fonctionnel au monde à base de graphène. Cela s'avérera utile à la fois pour l'informatique quantique et conventionnelle et pour maintenir la loi de Moore en vie.
Selon Walt de Heer, professeur au Département de physique du Georgia Institute of Technology, les électrons se déplacent 10 fois plus vite que les transistors au silicium traditionnels. Cette amélioration exponentielle signifie qu’il est possible pour les puces utilisant du graphène d’atteindre des cycles de l’ordre du térahertz.
Le processus de production de graphène date d’un demi-siècle. Tout d’abord, deux puces de carbure de silicium sont empilées dans un creuset en graphite, puis placées dans un tube de quartz argon enveloppé d’un tube de cuivre. Un courant haute fréquence traverse la bobine de cuivre et le creuset en graphite est chauffé à 1 000 °C par induction pendant environ une heure.
Une fois que le silicium à la surface de la puce en carbure de silicium s'est évaporé, il est remplacé par du carbone, formant une couche de graphène bidimensionnelle (à un seul atome). Les plaquettes produites sont neutres en termes de charge, elles sont donc immédiatement dopées à l'oxygène lorsqu'elles sont retirées du tube. Ils ont ensuite produit de l’épigraphène sur un substrat en carbure de silicium en chauffant le graphène à 200°C sous vide pour libérer le dopage à l’oxygène. Selon deHeer, le coût de ce processus est relativement faible.
"La puce (en carbure de silicium) que nous utilisons coûte environ 10 dollars, le creuset coûte environ 1 dollar et le tube de quartz coûte environ 10 dollars", a expliqué le professeur à IEEESpectrum.
Depuis 2008, les scientifiques produisent du graphène semi-conducteur en chauffant du carbure de silicium sous vide. Cependant, il lui manque une bande interdite mesurable, de sorte que le transistor ne peut pas s'allumer et s'éteindre. La méthode modifiée de DeHeer et de son équipe élimine ce problème.
Les méthodes précédentes pour créer des bandes interdites consistaient à modifier des substrats avec des nanorubans ou des nanotubes de graphène. Aucune de ces méthodes n’a réussi car elles nécessitent une grande précision dans le dépôt de nanorubans de graphène sur un substrat.
"Il y a eu quelques succès avec les nanorubans de graphène, mais en principe cette technologie est très similaire à la technologie des nanotubes de carbone semi-conducteurs, qui n'a pas encore réussi après 30 ans de recherche sur les nanotubes", a déclaré deHeer.
Les chercheurs ont réussi à créer des bandes interdites en déformant (rides) le graphène. Cependant, cette méthode produit une bande interdite de seulement 0,2 électron-volt, ce qui, selon deHeer, est trop petit pour être pratique. En comparaison, le silicium a une bande interdite de 1,12 électron-volts. La méthode de Georgia Tech produit une bande interdite de 0,6 électron-volt, suffisante pour permettre une commutation logique à des températures plus basses.
"Notre étude diffère des autres approches car nous avons préparé des SEC semi-conducteurs de grande surface sur des mesas de carbure de silicium atomiquement plats et sans défauts", a déclaré deHeer. "Le SiC est un matériau électronique hautement développé et facilement disponible, entièrement compatible avec les méthodes de traitement microélectronique conventionnelles."
Bien que la communauté scientifique ait réussi à préparer le graphène épitaxial semi-conducteur puissant et hautement mobile, les processeurs SEC dans les ordinateurs quantiques ou les ordinateurs ordinaires sont encore une idée lointaine. Premièrement, cela nécessite une étude plus approfondie pour déterminer s'il s'agit d'un matériau plus approprié que les supraconducteurs utilisés dans les ordinateurs quantiques contemporains, a déclaré De Heer.
En ce qui concerne l’informatique sur silicium, l’équipe savait déjà que le SEC était un semi-conducteur supérieur avec une résistance bien inférieure. Par conséquent, des vitesses plus rapides et des températures de fonctionnement plus basses peuvent être obtenues. Cependant, il n’existe actuellement aucun moyen simple d’intégrer la SEC dans l’électronique traditionnelle sur silicium. Pour profiter des avantages que ce matériau peut offrir, il faudra un changement radical dans les paradigmes de fabrication actuels.
"Je compare ce travail au premier vol de 100 mètres des frères Wright", a déclaré deHeer. "Cela dépendra en grande partie de la manière dont les travaux de développement seront réalisés."