ACTUALITÉ SCIENTIFIQUE
ET INNOVATION DE L'ÉTS
Le phosphore noir : la nouvelle vedette chez les semi-conducteurs - Par : Luis Felipe Gerlein Reyes,

Le phosphore noir : la nouvelle vedette chez les semi-conducteurs


Luis Felipe Gerlein Reyes
Luis Felipe Gerlein Reyes Profil de l'auteur(e)
Luis Felipe Gerlein est étudiant au doctorat à l’ÉTS. Ses recherches portent sur la nanofabrication et la caractérisation de dispositifs optoélectroniques à base de chalcogénures de plomb, de nanostructures à base de carbone et de matériaux pérovskite.
Programme : Génie électrique 

Qu’est-ce qui rend les semi-conducteurs si spéciaux?

Un semi-conducteur est un type de matériau dont les propriétés électriques peuvent être soigneusement contrôlées par des moyens artificiels. Le silicium a été, pendant des années, le roi incontesté de l’industrie des semi-conducteurs. Pourtant, il ne fonctionne pas aussi bien dans des applications telles que l’émission de lumière et l’électronique à haut débit. Pour celles-ci, de nouveaux matériaux ont été développés afin de répondre à la demande croissante en technologies riches en fonctionnalités.

La mobilité permet de décrire à quelle vitesse peut fonctionner un dispositif semi-conducteur. La bande interdite est aussi relative aux capacités opto-électroniques des dispositifs semi-conducteurs. En général, pour obtenir ces deux caractéristiques en même temps, les meilleurs semi-conducteurs ont des mobilités élevées, des bandes interdites contrôlables et d’importants coûts connexes de réalisation.

Graphène, le matériau fantastique? Oui et non…

Graphene

Figure 2. Une couche simple de graphène. Chaque point de l’image correspond à un atome de carbone.  La structure en nid d’abeilles se réplique telle qu’illustrée.

Dans la quête de matériaux plus rapides, nous sommes allés le plus petit possible. En 2004, une couche de carbone de l’épaisseur d’un atome a été séparée du graphite [1], représentant un matériau appelé plus tard graphène. Cette couche atomique unique de carbone en nid d’abeilles a été décrite comme un semi-conducteur à bande interdite zéro et dont la mobilité, en principe, pourrait être infinie. Dans la pratique, le graphène a montré des valeurs de mobilité jusqu’à 10 fois meilleures que celles du silicium [2] en raison de défauts et d’imperfections de fabrication.

En 2010, André Geim et Konstantin Noveselov ont reçu le prix Nobel de physique pour leurs « expériences révolutionnaires concernant le matériau bidimensionnel de graphène ». Ce matériau a été étudié et appliqué dans des dispositifs photovoltaïques et opto-électroniques [3-5], des résonateurs à haute fréquence [6],  transistors à effet de champ [7] et bolomètres [8], entre autres applications. Toutefois, la propriété qui rend le graphène plus intrigant est aussi sa plus grande faiblesse : l’absence de bande interdite dans le graphème vierge en fait un très bon conducteur électrique, le rendant plus semi-métal que semi-conducteur. Sa conductivité est difficile à éliminer et à contrôler : ce matériau n’est pas pratique pour les applications électroniques et optoélectroniques.

Une nouvelle alternative dans la bonne direction

phosphorene

Figure 3. La structure générale d’une couche simple de phosphorène. Extrait de ref. 10

Heureusement, un nouveau matériau permet de surmonter cette limite tout en restant proche de la mobilité du silicium et de la flexibilité des prouesses du graphène: le phosphore noir ou phosphorène. Celui-ci rejoint les rangs des matériaux présentant une structure en nid d’abeilles à deux dimensions similaires ayant une bande interdite qui peut être soigneusement contrôlée par dopage extrinsèque, en empilant différentes couches de phosphore noir ou en choisissant le bon élément dans la fabrication du contact métallique. De plus, dans un proche avenir, le phosphore noir pourrait être produit en grande quantité dans les mêmes installations aujourd’hui utilisées dans  l’industrie des semi-conducteurs.

Le phosphore noir a été évoqué pour la première en 1986 par A. Morita [9]. À l’époque, le potentiel de ce matériau en vrac avait déjà été envisagé. La capacité d’isoler seulement quelques couches atomiques de phosphore noir a été décrite par des chercheurs de l’Université de technologie de Delft et de l’Université autonome de Madrid [10]. Récemment, des chercheurs de l’Université technologique de Pohang (POSTECH) ont réalisé un phosphore noir avec une bande interdite accordable en utilisant du potassium comme dopant [11]. Aussi ont-ils réussi à modifier la largeur de bande interdite du phosphore noir de 0,0 à 0,6 eV et obtenu une valeur intrinsèque de la bande interdite de 0,35 eV pour du phosphore noir vierge.

Figure 4. Quelques couches de phosphorène présente une bande interdite plus grande que lorsque le nombre de couches est plus grand. Extrait de Réf. 12.

Figure 4. Quelques couches de phosphore noir présentent une bande interdite plus grande que du phosphorène à plusieurs couches. Extrait de Réf. 12.

Des chercheurs de l’Institut des sciences de base (IBS), centre de physique des nanostructures intégré à l’Université Sungkyunkwan (SKKU) en Corée du Sud, ont conçu un dispositif de transistor à haute performance basé sur le phosphore noir avec des résultats formidables [12]. En empilant plusieurs couches de phosphore noir tout en changeant les métaux pour créer des contacts, ils ont pu modifier le phosphore noir en un matériau de type n, de type p  ou ambipolaire.

Le dispositif électronique de commutation la plus élémentaire est composé de l’union d’un matériau de type n et d’un autre de type p pour atteindre un état « allumé/éteint ». Un transistor dans sa forme la plus simple est composé d’une combinaison de matériaux n-p-n ou p-n-p qui peut être allumée ou éteinte et présenter d’autres avantages.

En conclusion, à partir d’un matériau de base unique, le phosphore noir, un dispositif peut être fabriqué en contrôlant le nombre de couches et les contacts métalliques utilisés [13]. De l’épaisseur de quelques couches atomiques, il permettrait de créer des appareils plus petits, d’une meilleure efficacité énergétique avec des coûts de fabrication réduits, et pouvant avoir des performances supérieures à la technologie du silicium qui tend à atteindre sa limite de miniaturisation.

Bien sûr, le phosphore noir ne pourrait peut-être pas remplacer complètement la technologie du silicium, mais il ouvrirait la porte à de nouvelles techniques de fabrication et d’applications venant s’ajouter à l’ensemble des alternatives technologiques actuelles. Plusieurs chercheurs s’intéressent actuellement à l’Internet des objets; ainsi, de nombreux objets usuels seront connectés et faire plus que ce qu’ils font déjà. Pour cela, d’efficaces petits composants électroniques seront nécessaires, et le phosphore semble donner de bons espoirs.

Note de l’ Auteur:  L’auteur tient à remercier son collègue Charles Trudeau, M. Sc., pour la discussion et les références fournies au sujet de graphène.

 

Luis Felipe Gerlein Reyes

Profil de l'auteur(e)

Luis Felipe Gerlein est étudiant au doctorat à l’ÉTS. Ses recherches portent sur la nanofabrication et la caractérisation de dispositifs optoélectroniques à base de chalcogénures de plomb, de nanostructures à base de carbone et de matériaux pérovskite.

Programme : Génie électrique 

Chaire de recherche : Chaire de recherche du Canada sur les matériaux et composants optoélectroniques hybrides 

Profil de l'auteur(e)


commentaires

    Laisser un commentaire

    Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *