La Chine multiplie par 1 000 la vitesse de production des semi-conducteurs 2D de nouvelle génération

Franchir la barrière de la vitesse dans l’électronique à l’échelle atomique

Des chercheurs chinois ont annoncé une avancée majeure dans la fabrication, qui pourrait redessiner le paysage mondial des semi-conducteurs : ils ont mis au point une méthode permettant de produire des matériaux semi-conducteurs bidimensionnels à une vitesse environ 1 000 fois supérieure à celle des techniques conventionnelles. Cette innovation, menée par des scientifiques de l’Université nationale des sciences et technologies de la défense et de l’Académie chinoise des sciences, lève un obstacle majeur qui entrave depuis longtemps la viabilité commerciale des puces de nouvelle génération.

L’équipe de recherche, dirigée par Zhu Mengjian avec ses collègues Ren Wencai et Xu Chuan, de l’Institut de recherche sur les métaux, a publié ses résultats le 26 mars dans la revue National Science Review. Ses travaux présentent une version modifiée du dépôt chimique en phase vapeur, qui permet de produire à grande échelle des films de nitrure de tungstène et de silicium à une vitesse d’environ 20 micromètres par minute. Il s’agit d’une accélération spectaculaire par rapport aux précédents résultats, qui nécessitaient cinq heures pour faire croître seulement 0,001 millimètre de matériau.

Pourquoi le silicium arrive en bout de course

Depuis plus de cinq décennies, l’industrie électronique suit la loi de Moore : le nombre de transistors sur une puce double environ tous les deux ans, tandis que les coûts diminuent. Cette tendance a façonné l’évolution de produits allant des smartphones aux supercalculateurs, donnant naissance à une industrie pesant plusieurs milliers de milliards de dollars et fondée sur le silicium. Mais à mesure que les dimensions des transistors se rapprochent de l’échelle atomique, les lois fondamentales de la physique commencent à s’imposer.

En dessous d’environ 5 nanomètres, les électrons du silicium commencent à présenter des comportements relevant de la mécanique quantique, qui compromettent le calcul classique. L’effet tunnel permet aux électrons de traverser des barrières isolantes censées les bloquer, tandis que la dissipation de la chaleur devient de plus en plus difficile à maîtriser à mesure que les composants se rapprochent. Ces contraintes physiques menacent de mettre un terme aux progrès qui ont soutenu l’avancée technologique moderne.

La demande en puissance de calcul continue de croître rapidement, portée en grande partie par les systèmes d’intelligence artificielle et les grands modèles de langage, qui nécessitent des capacités de traitement toujours plus importantes. Selon les prévisions du secteur, les besoins en calcul liés à l’IA pourraient être multipliés par 1 000 d’ici 2030 par rapport à leur niveau de 2023. Cet écart grandissant entre la demande et les limites physiques du silicium a déclenché une quête mondiale de matériaux de remplacement susceptibles de prolonger ou de remplacer la fabrication traditionnelle des semi-conducteurs.

Les promesses des matériaux bidimensionnels

Les semi-conducteurs bidimensionnels figurent parmi les voies les plus prometteuses pour dépasser les limites du silicium conventionnel. Ces matériaux, parfois épais d’un seul atome, conduisent l’électricité selon des principes fondamentalement différents de ceux des cristaux tridimensionnels. Contrairement au silicium massif, dans lequel le canal où circule le courant doit être creusé dans un bloc solide, les semi-conducteurs 2D sont naturellement minces. Il n’est donc pas nécessaire d’en retirer physiquement de la matière pour créer des motifs à l’échelle nanométrique.

Dans ces couches ultraminces, les effets de confinement quantique peuvent améliorer les propriétés électriques au lieu de les dégrader. Lorsque les électrons sont contraints à un mouvement bidimensionnel, leur énergie minimale augmente, ce qui élargit la bande interdite qui détermine si un transistor est passant ou bloqué. À dimensions équivalentes, les matériaux 2D pourraient ainsi offrir un meilleur rendement énergétique et moins de courants de fuite que le silicium, ce qui en fait des candidats de choix pour les technologies de nœuds inférieurs à 5 nanomètres.

Plusieurs matériaux 2D ont déjà démontré de bonnes performances. Le disulfure de molybdène et le diséléniure de molybdène, des composés appartenant à la famille des dichalcogénures de métaux de transition, possèdent une bande interdite intrinsèque qui leur permet de passer d’un état conducteur à un état isolant. Ces matériaux de type n, qui conduisent le courant électrique grâce aux électrons, sont relativement faciles à produire en laboratoire. Or, la fabrication de circuits intégrés fonctionnels nécessite des paires complémentaires de matériaux.

Résoudre la pénurie de matériaux de type p

Les architectures modernes des transistors reposent sur l’association de deux types de semi-conducteurs : les matériaux de type n, qui utilisent les électrons comme porteurs de charge, et ceux de type p, qui s’appuient sur les trous (l’absence d’électrons dans le réseau cristallin) pour conduire une charge positive. Cette architecture complémentaire à métal-oxyde-semiconducteur, appelée CMOS, constitue le fondement de toute la logique numérique contemporaine. Chaque porte NAND, NOR ou NOT nécessite le fonctionnement conjoint de ces deux types de matériaux.

Alors que les semi-conducteurs 2D de type n sont largement disponibles, leurs équivalents de type p, stables et performants, restent difficiles à obtenir. Zhu Mengjian a décrit cette pénurie comme un obstacle majeur et un front de recherche particulièrement disputé dans le domaine des semi-conducteurs. Sans matériaux de type p fiables, les ingénieurs ne peuvent pas construire les portes logiques fondamentales du calcul, quelle que soit la qualité des matériaux de type n.

L’équipe chinoise a identifié le nitrure de tungstène et de silicium comme une solution à ce déséquilibre. Ce matériau présente naturellement un comportement de type p, sans qu’il soit nécessaire de recourir à des procédés de dopage externe, souvent sources d’instabilité. Les films obtenus affichent une grande mobilité des trous et une forte densité de courant, ainsi qu’une bonne résistance mécanique et une conductivité thermique élevée. Ces propriétés laissent penser que le matériau peut résister aux multiples étapes de lithographie nécessaires à la fabrication commerciale des puces, sans se fissurer ni se détacher de son substrat.

Le professeur Peng Hailin, de l’Université de Pékin, qui travaille sur un projet distinct mais apparenté de transistor 2D à base d’oxyséléniure de bismuth, a expliqué l’importance fondamentale de cet équilibre entre les types de dopage. Dans le cadre de ces travaux, également tournés vers des architectures post-silicium, son équipe a atteint des vitesses supérieures de 40 % à celles des puces 3 nm les plus récentes d’Intel, tout en consommant 10 % d’énergie en moins. Le groupe de l’Université de Pékin a décrit cette avancée comme un changement de voie plutôt que comme un raccourci, signe d’un éloignement fondamental des conceptions à base de silicium.

L’innovation à base d’or et de tungstène

L’innovation décisive qui a permis cette accélération de la production consiste à repenser le procédé de dépôt chimique en phase vapeur utilisé pour faire croître les films semi-conducteurs 2D. Les techniques traditionnelles de dépôt chimique en phase vapeur font circuler des gaz précurseurs au-dessus de substrats chauffés et attendent que les atomes cristallisent, couche après couche. Longtemps extrêmement lent, ce procédé rendait économiquement irréaliste le passage d’échantillons de laboratoire de quelques millimètres aux plaquettes de 300 millimètres utilisées dans la fabrication commerciale.

L’équipe de recherche a remplacé le substrat solide habituel par une bicouche liquide d’or et de tungstène. La surface d’or liquide élimine les joints de grains et fournit un support uniformément lisse pour la nucléation des cristaux. Les atomes précurseurs peuvent ainsi diffuser beaucoup plus rapidement à sa surface que sur un substrat solide classique. Parallèlement, la couche de tungstène sous-jacente fournit l’un des éléments nécessaires au film de nitrure de tungstène et de silicium, réduisant le recours à l’apport de gaz, qui limite souvent les vitesses de croissance.

Cette modification du substrat a permis de faire croître des films monocouches d’environ 36 sur 18 millimètres, faisant entrer les semi-conducteurs 2D dans le domaine de la fabrication à l’échelle des plaquettes. Le matériau obtenu présente de bonnes performances électriques, une grande durabilité et une bonne résistance à la chaleur, indispensables aux puces avancées. La vitesse de production est passée d’environ 0,00004 pouce en cinq heures à quelque 0,0008 pouce par minute, soit une accélération par mille qui a attiré l’attention du secteur.

La méthode permet également de contrôler précisément les propriétés de dopage, afin d’ajuster les caractéristiques électriques des films obtenus. Cette possibilité est essentielle pour intégrer les matériaux 2D aux architectures CMOS existantes, une étape incontournable de leur adoption commerciale. Leur compatibilité avec les infrastructures actuelles des semi-conducteurs pourrait faciliter leur intégration à l’avenir, même si d’importants défis techniques restent à relever pour passer de la taille actuellement démontrée à des plaquettes de production complètes.

Concurrence mondiale et enjeux stratégiques

Cette avancée dans le domaine des semi-conducteurs intervient alors que la concurrence technologique s’intensifie entre les grandes puissances économiques. Selon les données de la CAS Content Collection, les institutions chinoises ont fortement progressé dans les publications scientifiques et les brevets liés à la microélectronique, le pays déposant de nombreux brevets à visée commerciale. Dans le même temps, les États-Unis ont adopté des mesures ambitieuses pour conserver leur avance, notamment avec le CHIPS and Science Act, qui a mobilisé 52,7 milliards de dollars afin de renforcer les capacités nationales de fabrication et de recherche.

Les tensions géopolitiques ont compliqué les chaînes d’approvisionnement mondiales. Mis en place en octobre 2022, les contrôles à l’exportation restreignent l’accès de la Chine aux équipements avancés pour semi-conducteurs et aux puces de calcul. Ces mesures visent à limiter les progrès chinois dans l’IA et les technologies de défense, mais elles ont aussi stimulé les initiatives de recherche nationales visant à atteindre l’indépendance technologique. Les avancées dans les semi-conducteurs 2D illustrent précisément le type de recherche fondamentale susceptible d’aider la Chine à contourner les goulets d’étranglement liés aux équipements conventionnels, en développant des plateformes de matériaux alternatives.

Selon une analyse de marché, le marché mondial des équipements pour semi-conducteurs, évalué à environ 111,84 milliards de dollars en 2025, pourrait atteindre 268,06 milliards de dollars d’ici 2034. Cette croissance est portée par le passage aux nœuds avancés de moins de 5 nanomètres, qui rend indispensables la lithographie ultraviolette extrême et les nouveaux matériaux. La région Asie-Pacifique domine actuellement le marché avec près de 69 % des parts, tandis que l’Europe et l’Amérique du Nord investissent massivement pour diversifier la production et réduire leur dépendance à des chaînes d’approvisionnement concentrées.

Les experts du secteur soulignent que le passage des démonstrations en laboratoire à la production commerciale demande plusieurs années et nécessite une collaboration entre spécialistes des matériaux, ingénieurs des procédés et physiciens des dispositifs. La densité de défauts doit baisser suffisamment pour que des milliards de transistors fonctionnent de manière fiable sur une seule puce, et les nouveaux matériaux doivent prouver leur compatibilité avec les procédés existants de lithographie, de gravure et de métallisation. L’approche du substrat en métal liquide mise au point par l’équipe chinoise pourrait influer sur les principes d’ingénierie dans l’ensemble du secteur, quel que soit le matériau qui sera finalement produit en masse.

Les défis de la commercialisation

Malgré des résultats prometteurs en laboratoire, de sérieux obstacles séparent encore les avancées actuelles des produits grand public contenant des transistors 2D. Il devient exponentiellement plus difficile de maintenir l’uniformité sur de grandes surfaces de plaquettes à mesure que la production augmente. Le passage de films de 36 sur 18 millimètres à des plaquettes de production de 300 millimètres ne consiste pas simplement à agrandir la chambre de dépôt chimique en phase vapeur : il faut préserver une précision atomique sur des surfaces considérablement plus vastes.

La gestion de la chaleur constitue un autre enjeu majeur. Bien que le nitrure de tungstène et de silicium présente des propriétés thermiques avantageuses par rapport à certaines solutions de remplacement, les matériaux ultraminces ont par nature une section limitée pour évacuer la chaleur. À mesure que les transistors se rapprochent, l’évacuation de la chaleur résiduelle devient essentielle pour maintenir les performances et prévenir les dommages thermiques aux structures délicates. Les matériaux 2D doivent aussi présenter une résistance mécanique suffisante pour supporter les contraintes physiques des procédés de fabrication, qui comportent des étapes de gravure, de dépôt et de nettoyage susceptibles d’endommager des couches de l’épaisseur d’un atome.

La pénurie de main-d’œuvre qualifiée aggrave ces difficultés techniques. La Semiconductor Industry Association a estimé qu’aux États-Unis seulement, il pourrait manquer environ 67 000 techniciens, ingénieurs et scientifiques qualifiés d’ici 2030. Des pénuries similaires touchent les pôles industriels du monde entier et pourraient ralentir le déploiement de nouvelles technologies, même après leur validation en laboratoire.

Les préoccupations environnementales pèsent également lourd dans les projets d’expansion. Une seule usine moderne fabriquant des plaquettes de 12 pouces consomme environ 10 millions de gallons d’eau par jour. La grave sécheresse qui a frappé Taïwan en 2021 a mis en évidence la vulnérabilité de la fabrication des semi-conducteurs face aux contraintes en matière de ressources. Les fabricants adoptent de plus en plus des technologies de recyclage et des pratiques durables, mais la forte consommation d’énergie et d’eau liée à la production de puces reste un enjeu majeur alors que le secteur envisage de construire de nouvelles installations pour accueillir des matériaux innovants.

L’essentiel

• Des chercheurs chinois ont mis au point une technique de dépôt chimique en phase vapeur qui permet de produire des matériaux semi-conducteurs 2D à une vitesse 1 000 fois supérieure à celle des méthodes précédentes, soit environ 20 micromètres par minute.
• Cette avancée repose sur un substrat formé d’une bicouche liquide d’or et de tungstène, qui permet de produire des films de nitrure de tungstène et de silicium à l’échelle des plaquettes et de répondre à la pénurie cruciale de matériaux 2D de type p performants, nécessaires aux paires de transistors CMOS.
• Cette innovation survient alors que le silicium approche de ses limites physiques fondamentales en dessous de 5 nanomètres, l’effet tunnel quantique et la dissipation de la chaleur menaçant de mettre fin à des décennies d’amélioration continue des performances sous l’effet de la loi de Moore.
• Épais de seulement quelques atomes, les semi-conducteurs bidimensionnels pourraient permettre de poursuivre la miniaturisation des transistors tout en améliorant leur rendement énergétique par rapport au silicium tridimensionnel conventionnel.
• Cette avancée s’inscrit dans un contexte de forte concurrence mondiale pour la suprématie dans les semi-conducteurs : la Chine accroît sa production scientifique, tandis que les États-Unis et l’Europe investissent des milliards par l’intermédiaire de lois sur les semi-conducteurs afin de sécuriser leurs chaînes d’approvisionnement nationales.
• Le passage des démonstrations en laboratoire à la production commerciale nécessitera de résoudre des problèmes liés à la densité de défauts, à la gestion de la chaleur, à l’uniformité de fabrication et à l’intégration dans les infrastructures de production existantes.
• Le marché des équipements de fabrication des semi-conducteurs devrait passer de 111,84 milliards de dollars en 2025 à 268 milliards en 2034, sous l’effet de la demande liée au calcul pour l’IA, aux nœuds avancés et aux nouveaux matériaux, dont les semi-conducteurs 2D.