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Le meilleur semi-conducteur de tous ? Les chercheurs ont trouvé un matériau qui peut fonctionner bien mieux que le silicium. La prochaine étape consiste à trouver des moyens pratiques et économiques de le rendre

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Accueil > Actualités > Le meilleur semi-conducteur de tous ? Les chercheurs ont découvert un matériau bien plus performant que le silicium. La prochaine étape consiste à trouver des moyens pratiques et économiques d'y parvenir

Une équipe de chercheurs affirme que l’arséniure de bore cubique est le meilleur matériau semi-conducteur jamais découvert, et peut-être le meilleur possible.
CRÉDIT
Christine Daniloff/MIT

Résumé:
Le silicium est l’un des éléments les plus abondants sur Terre et, sous sa forme pure, ce matériau est devenu le fondement d’une grande partie de la technologie moderne, des cellules solaires aux puces informatiques. Mais les propriétés du silicium en tant que semi-conducteur sont loin d’être idéales.

Le meilleur semi-conducteur de tous ? Les chercheurs ont trouvé un matériau qui peut fonctionner bien mieux que le silicium. La prochaine étape consiste à trouver des moyens pratiques et économiques de le rendre


Cambridge, Massachusetts | Publié le 22 juillet 2022

D'une part, bien que le silicium laisse les électrons traverser facilement sa structure, il est beaucoup moins accommodant aux « trous » – les homologues chargés positivement des électrons – et exploiter les deux est important pour certains types de puces. De plus, le silicium ne conduit pas très bien la chaleur, c'est pourquoi les problèmes de surchauffe et les systèmes de refroidissement coûteux sont fréquents dans les ordinateurs.

Aujourd’hui, une équipe de chercheurs du MIT, de l’Université de Houston et d’autres institutions a mené des expériences montrant qu’un matériau connu sous le nom d’arséniure de bore cubique surmonte ces deux limitations. Il offre une grande mobilité aux électrons et aux trous et possède une excellente conductivité thermique. Selon les chercheurs, il s’agit du meilleur matériau semi-conducteur jamais découvert, et peut-être même du meilleur possible.

Jusqu’à présent, l’arséniure de bore cubique n’a été fabriqué et testé qu’en petits lots à l’échelle du laboratoire qui ne sont pas uniformes. Les chercheurs ont dû utiliser des méthodes spéciales initialement développées par Bai Song, ancien postdoctorant du MIT, pour tester de petites régions du matériau. Des travaux supplémentaires seront nécessaires pour déterminer si l’arséniure de bore cubique peut être fabriqué sous une forme pratique et économique, et encore moins pour remplacer le silicium omniprésent. Mais même dans un avenir proche, ce matériau pourrait trouver des utilisations où ses propriétés uniques feraient une différence significative, affirment les chercheurs.

Les résultats sont rapportés dans la revue Science, dans un article rédigé par Jungwoo Shin, postdoctorant au MIT, et Gang Chen, professeur de génie mécanique au MIT ; Zhifeng Ren de l'Université de Houston ; et 14 autres au MIT, à l'Université de Houston, à l'Université du Texas à Austin et au Boston College.

Des recherches antérieures, notamment celles de David Broido, co-auteur du nouvel article, avaient théoriquement prédit que le matériau aurait une conductivité thermique élevée ; des travaux ultérieurs ont prouvé expérimentalement cette prédiction. Ce dernier travail complète l'analyse en confirmant expérimentalement une prédiction faite par le groupe de Chen en 2018 : selon laquelle l'arséniure de bore cubique aurait également une très grande mobilité pour les électrons et les trous, « ce qui rend ce matériau vraiment unique », explique Chen.

Les expériences précédentes ont montré que la conductivité thermique de l’arséniure de bore cubique est presque 10 fois supérieure à celle du silicium. "C'est donc très intéressant uniquement pour la dissipation de la chaleur", explique Chen. Ils ont également montré que le matériau possède une très bonne bande interdite, une propriété qui lui confère un grand potentiel en tant que matériau semi-conducteur.

Aujourd’hui, les nouveaux travaux complètent le tableau, montrant que, avec sa grande mobilité pour les électrons et les trous, l’arséniure de bore possède toutes les principales qualités nécessaires pour un semi-conducteur idéal. «C'est important car, bien sûr, dans les semi-conducteurs, nous avons des charges positives et négatives de manière équivalente. Ainsi, si vous construisez un appareil, vous souhaitez disposer d’un matériau dans lequel les électrons et les trous se déplacent avec moins de résistance », explique Chen.

Le silicium a une bonne mobilité électronique mais une mauvaise mobilité des trous, et d'autres matériaux tels que l'arséniure de gallium, largement utilisé pour les lasers, ont également une bonne mobilité pour les électrons mais pas pour les trous.

"La chaleur constitue désormais un goulot d'étranglement majeur pour de nombreux appareils électroniques", explique Shin, l'auteur principal de l'article. « Le carbure de silicium remplace le silicium pour l’électronique de puissance dans les principales industries des véhicules électriques, dont Tesla, car il a une conductivité thermique trois fois supérieure à celle du silicium malgré sa moindre mobilité électrique. Imaginez ce que les arséniures de bore peuvent réaliser, avec une conductivité thermique 10 fois supérieure et une mobilité bien supérieure à celle du silicium. Cela peut changer la donne.

Shin ajoute : « L’étape critique qui rend cette découverte possible réside dans les progrès réalisés dans les systèmes de réseaux laser ultrarapides au MIT », initialement développés par Song. Sans cette technique, dit-il, il n'aurait pas été possible de démontrer la grande mobilité du matériau pour les électrons et les trous.

Les propriétés électroniques de l'arséniure de bore cubique ont été initialement prédites sur la base de calculs de fonction de densité mécanique quantique effectués par le groupe de Chen, dit-il, et ces prédictions ont maintenant été validées par des expériences menées au MIT, en utilisant des méthodes de détection optique sur des échantillons réalisés par Ren et des membres du l'équipe de l'Université de Houston.

Selon les chercheurs, non seulement la conductivité thermique du matériau est la meilleure de tous les semi-conducteurs, mais il possède également la troisième meilleure conductivité thermique de tous les matériaux, après le diamant et le nitrure de bore cubique enrichi en isotopisme. "Et maintenant, nous avons prédit le comportement mécanique quantique des électrons et des trous, également à partir des premiers principes, et cela s'est également avéré vrai", explique Chen.

"C'est impressionnant, car je ne connais aucun autre matériau, autre que le graphène, qui possède toutes ces propriétés", dit-il. "Et c'est un matériau en vrac qui possède ces propriétés."

Le défi maintenant, dit-il, est de trouver des moyens pratiques de fabriquer ce matériau en quantités utilisables. Les méthodes actuelles permettant de produire un matériau très non uniforme, l'équipe a donc dû trouver des moyens de tester uniquement de petites parcelles locales du matériau suffisamment uniformes pour fournir des données fiables. Bien qu'ils aient démontré le grand potentiel de ce matériau, « nous ne savons pas si et où il sera réellement utilisé », dit Chen.

« Le silicium est le cheval de bataille de toute l'industrie », déclare Chen. « Alors, d'accord, nous avons un matériau qui est meilleur, mais est-ce qu'il va réellement compenser l'industrie ? Nous ne savons pas. Bien que le matériau semble être presque un semi-conducteur idéal, « s'il peut réellement entrer dans un appareil et remplacer une partie du marché actuel, je pense que cela reste encore à prouver ».

Et même si les propriétés thermiques et électriques se sont révélées excellentes, de nombreuses autres propriétés d'un matériau doivent encore être testées, comme sa stabilité à long terme, explique Chen. "Pour fabriquer des appareils, il existe de nombreux autres facteurs que nous ne connaissons pas encore."

Il ajoute : « Cela pourrait potentiellement être très important, et les gens n’ont même pas vraiment prêté attention à ce matériel. » Maintenant que les propriétés souhaitables de l'arséniure de bore sont devenues plus claires, suggérant que ce matériau est « à bien des égards le meilleur semi-conducteur », dit-il, « peut-être qu'on accordera plus d'attention à ce matériau ».

Pour les utilisations commerciales, dit Ren, « un grand défi serait de savoir comment produire et purifier l’arséniure de bore cubique aussi efficacement que le silicium. … Le silicium a mis des décennies à remporter la couronne, avec une pureté de plus de 99.99999999 pour cent, soit « 10 neuf » pour une production de masse aujourd'hui.

Pour que cela devienne pratique sur le marché, dit Chen, « il faut vraiment que davantage de personnes développent différentes façons de fabriquer de meilleurs matériaux et de les caractériser ». Reste à savoir si les fonds nécessaires à un tel développement seront disponibles, dit-il.

La recherche a été soutenue par l'Office of Naval Research des États-Unis et a utilisé les installations des installations expérimentales partagées MRSEC du MIT, soutenues par la National Science Foundation.

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Écrit par David L. Chandler, Bureau des nouvelles du MIT

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Contacts :
Abby Abazorius
Massachusetts Institute of Technology (MIT)
Bureau: 617 253 2709 XNUMX XNUMX

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