Une équipe sud-coréenne fabrique des composants de transistor en remplaçant des atomes dans un film ultramince

Un pas de 0,7 nanomètre vers des commutateurs électroniques plus petits

Des chercheurs sud-coréens ont créé les principaux composants d’un transistor au sein d’un seul film mince en remplaçant certains atomes. Ils ont ainsi obtenu une commande du courant proche de la limite théorique des transistors classiques à température ambiante. La technique fonctionne dans des couches d’environ 0,7 nanomètre d’épaisseur et pourrait simplifier la fabrication de dispositifs électroniques extrêmement petits.

L’équipe, dirigée par Cho Moon-ho, directeur du Centre des solides quantiques de Van der Waals de l’Institut des sciences fondamentales et professeur émérite à l’Université des sciences et technologies de Pohang, est partie du diséléniure de tungstène. En remplaçant ses atomes de sélénium par de l’oxygène, du soufre ou du tellure, les chercheurs ont créé des zones qui isolent, conduisent le courant ou facilitent son entrée dans le semi-conducteur.

Pour augmenter le courant d’un facteur dix, le transistor nécessitait une variation de tension de grille de 61,3 millivolts, contre un minimum théorique d’environ 60 millivolts à température ambiante. À l’état passant, son courant était plus de 10 millions de fois supérieur à celui de l’état bloqué.

Les chercheurs ont également construit un petit circuit à partir de transistors empilés verticalement, qui inversait un signal électrique sous 1 volt. Ensemble, ces résultats relient la maîtrise précise de couches individuelles de matériau à un circuit fonctionnel, tandis que le passage à l’échelle de la fabrication des semi-conducteurs reste le prochain grand défi.

Pourquoi l’assemblage de ces matériaux est difficile

Un transistor est un commutateur commandé électriquement. Il a besoin d’un canal semi-conducteur où circule le courant, d’une couche isolante permettant à une grille de commander ce canal et d’électrodes reliant le dispositif au reste du circuit. Chaque élément remplissant une fonction différente, il est essentiel que leurs interfaces soient de bonne qualité.

Les semi-conducteurs dits bidimensionnels restent fonctionnels même lorsqu’ils ne mesurent que quelques couches atomiques d’épaisseur. Cependant, leurs surfaces ne forment pas facilement de liaisons chimiques avec d’autres matériaux. Il est donc difficile de les recouvrir uniformément d’un film isolant. La fixation directe d’électrodes métalliques peut aussi endommager la surface de contact ou créer une résistance électrique qui limite le courant.

Transférer des films préparés séparément pour les mettre en place et les empiler constitue une autre solution, mais ajoute des étapes de fabrication. L’équipe sud-coréenne a plutôt créé plusieurs des matériaux nécessaires au sein du film de départ, réduisant ainsi le besoin d’assembler des films différents.

Trois atomes de remplacement, trois fonctions différentes

Le diséléniure de tungstène, noté WSe2, est constitué d’une couche d’atomes de tungstène située entre des atomes de sélénium, au-dessus et au-dessous. Les chercheurs ont conservé le tungstène tout en remplaçant sélectivement le sélénium. La modification des atomes environnants a changé le comportement électrique de chaque zone traitée.

L’oxygène a produit de l’oxyde de tungstène, un isolant. Le soufre a produit du disulfure de tungstène, un semi-conducteur de type n. Le tellure a produit du ditellurure de tungstène, un semi-métal conducteur utilisé à l’interface entre l’électrode métallique et le semi-conducteur.

• Le diséléniure de tungstène non transformé a constitué la zone semi-conductrice de type p.
• L’oxyde de tungstène a assuré l’isolation électrique nécessaire à la commande par la grille.
• Le disulfure de tungstène a fourni un semi-conducteur de type n pour les dispositifs complémentaires.
• Le ditellurure de tungstène a facilité le déplacement des charges entre une électrode et le semi-conducteur.

Les termes « type p » et « type n » décrivent la manière dont les charges électriques circulent dans un semi-conducteur. Dans un matériau de type n, le courant est transporté par des électrons. Dans un matériau de type p, le courant est décrit comme le déplacement de trous, des lacunes chargées positivement laissées par l’absence d’électrons. Les deux types sont nécessaires au circuit complémentaire présenté par l’équipe.

Comment l’équipe a choisi la couche et l’emplacement

La température et la pression du gaz réactif ont permis aux chercheurs de contrôler la profondeur de pénétration des transformations chimiques dans le film. Ils ont utilisé les minuscules espaces entre les couches de matériau comme des barrières limitant le déplacement des atomes réactifs, ce qui a contribué à empêcher une transformation de se propager à la couche suivante.

Chaque étape contrôlée correspondait à une couche atomique d’environ 0,7 nanomètre d’épaisseur. Un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre. Cette valeur désigne l’épaisseur de la couche de matériau transformée ; le procédé de fabrication nécessitait également de contrôler les zones où la transformation avait lieu à la surface.

Des masques utilisés dans la fabrication des semi-conducteurs ont apporté ce second type de contrôle. À la manière d’un revêtement finement structuré, un masque expose certaines zones tout en protégeant les autres. En combinant les masques et le contrôle de la profondeur de réaction, les chercheurs ont pu former différents matériaux aux emplacements et dans les couches choisis au sein d’un même film.

Une barrière plus faible là où le courant entre

La zone de contact en ditellurure de tungstène répondait à un problème distinct de la commutation du transistor : faire entrer efficacement les charges dans le semi-conducteur. Même un canal qui réagit bien à sa grille peut être peu performant si ses connexions électriques entravent le transfert des charges.

Les chercheurs ont mesuré une barrière énergétique de 35,5 millielectronvolts à l’interface entre l’électrode et le semi-conducteur. Selon eux, cette valeur représente environ un tiers de celle observée avec une électrode métallique directement fixée. Une barrière énergétique est l’obstacle que doivent franchir les porteurs de charge lorsqu’ils passent d’un matériau à un autre.

En comparaison, une barrière ramenée au tiers de sa valeur est environ 67 % plus faible. L’amélioration mesurée concerne le transfert des charges au niveau du contact. La consommation électrique de l’ensemble d’un circuit dépend également de sa tension de fonctionnement, de son courant de fuite et de son activité de commutation.

Une commutation proche de la limite à température ambiante

La mesure de 61,3 millivolts caractérise la rapidité avec laquelle le transistor commute lorsque la tension de grille varie. Les ingénieurs appellent cela la pente sous le seuil : la variation de tension de grille nécessaire pour multiplier le courant par dix lorsque le dispositif passe à l’état conducteur.

Une valeur plus faible signifie qu’une petite variation de tension produit une forte variation du courant. Comparée à la limite approximative de 60 millivolts à température ambiante pour le fonctionnement des transistors classiques, la valeur mesurée ne la dépassait que de 1,3 millivolt, soit environ 2,2 %.

Le rapport entre le courant à l’état passant et celui à l’état bloqué dépassait 10 millions pour un. Cette mesure indique la capacité du dispositif à distinguer ses états conducteur et non conducteur. Un faible courant à l’état bloqué est important, car les fuites électriques dans des transistors au repos gaspillent de l’énergie.

La barrière de contact, la réponse à la commutation et le rapport des courants décrivent trois aspects liés des performances du dispositif. Le contact facilite l’entrée des charges, la grille en régule le passage et l’écart entre les courants à l’état passant et à l’état bloqué indique la capacité du transistor à jouer son rôle de commutateur.

Une isolation qui permet à la grille d’agir de près

La zone d’oxyde de tungstène a fourni la couche isolante. Celle-ci doit isoler électriquement la grille du canal tout en permettant au champ électrique de la grille de commander le courant. La produire en transformant une partie du matériau de départ permet de répondre à la difficulté du dépôt d’un revêtement uniforme sur un semi-conducteur bidimensionnel.

L’équipe a indiqué que son isolant répondait à l’objectif de la Feuille de route internationale pour les dispositifs et systèmes (IRDS), qui fixe l’épaisseur d’oxyde équivalente à 1 nanomètre ou moins. L’épaisseur d’oxyde équivalente, généralement abrégée EOT, exprime les performances électriques d’un isolant en fonction de l’épaisseur d’une couche de dioxyde de silicium de référence présentant la même capacité électrique.

L’EOT décrit donc un comportement électrique, et non simplement l’épaisseur physique du matériau. Les chercheurs ont indiqué que l’EOT était inférieur à 1 nanomètre ; les descriptions numériques publiées mentionnaient également une valeur de 0,3 à 0,4 nanomètre et une valeur d’environ 1 nanomètre. Ces descriptions ne permettent pas de déterminer la valeur exacte, mais elles situent toutes l’isolant au niveau ou dans les limites de l’objectif de la feuille de route.

Un circuit empilé fonctionnant sous 1 volt

Les chercheurs ne se sont pas limités à tester un transistor seul : ils ont empilé verticalement un transistor de type p et un transistor de type n pour créer un inverseur complémentaire. Un inverseur est un circuit numérique élémentaire : une entrée haute produit une sortie basse, et une entrée basse produit une sortie haute.

Le circuit inversait les signaux sous une tension de fonctionnement de 1 volt. Sa construction nécessitait que les deux types de semi-conducteurs fonctionnent ensemble, reliant ainsi la méthode de transformation des matériaux à une fonction élémentaire de l’électronique numérique.

La structure verticale rapproche également cette expérience des projets de l’équipe en matière de circuits intégrés tridimensionnels. La disposition des composants les uns au-dessus des autres permettrait d’intégrer davantage de circuits sur une même surface, à condition de maîtriser les matériaux et les procédés dans toute la structure empilée.

Cho, directeur du centre de l’IBS et professeur émérite à POSTECH, a décrit le lien entre la technique appliquée aux matériaux et la fabrication des dispositifs :

« Cette étude associe une technique fondamentale de science des matériaux, la manipulation de la matière à l’échelle atomique, aux technologies modernes des semi-conducteurs »,

Publication et passage à des plaquettes de plus grande taille

L’article de recherche s’intitule « MOSFET modulaires de van der Waals obtenus par substitution couche par couche de chalcogènes ». MOSFET désigne une famille de transistors très répandue, commandés par une grille isolée. Les chalcogènes sont la famille chimique qui comprend l’oxygène, le soufre, le sélénium et le tellure, les éléments au cœur des substitutions.

L’annonce et la publication ont été présentées comme suit :

• 15 octobre 2026 : le ministère des Sciences et des TIC aurait annoncé les travaux sur les transistors modulaires.
• 16 octobre 2026, à 3 heures, heure normale de Corée : le ministère a indiqué que l’article publié dans Science paraîtrait à cette heure. D’autres descriptions ont daté l’annonce publique du 16 octobre.

La prochaine étape consiste à appliquer la méthode à d’autres semi-conducteurs bidimensionnels et à la déployer sur des plaquettes, les larges substrats utilisés pour fabriquer de nombreux dispositifs semi-conducteurs en même temps. Pour une utilisation industrielle, il faudra obtenir un remplacement uniforme et reproductible des atomes sur toute leur surface. Aucun calendrier de mise en production n’a été communiqué.

L’objectif pratique de l’équipe est précis : créer les matériaux utiles sur place plutôt que de transférer et d’assembler à répétition des films distincts. À plus grande échelle, cela pourrait réduire la complexité de l’assemblage tout en préservant la commande précise par la grille et l’amélioration des contacts mesurées dans les dispositifs expérimentaux.

Kim Seong-su, directeur du Bureau des politiques de R&D du ministère des Sciences et des TIC, a déclaré que le gouvernement continuerait à soutenir la recherche fondamentale afin que des technologies originales puissent contribuer à la compétitivité industrielle de la Corée du Sud. Les prochains travaux des chercheurs porteront sur des zones de traitement plus vastes, d’autres matériaux et des circuits intégrés empilés.

Points clés

• L’équipe sud-coréenne a formé des composants essentiels de transistor en remplaçant sélectivement des atomes de sélénium dans du diséléniure de tungstène.
• La température, la pression du gaz et des masques ont permis de contrôler la transformation dans des couches d’environ 0,7 nanomètre d’épaisseur et à des emplacements précis de la surface.
• La barrière énergétique au contact est tombée à 35,5 millielectronvolts, soit environ un tiers de la valeur mesurée avec un contact métallique direct.
• Une variation de tension de grille de 61,3 millivolts a multiplié le courant par dix, une valeur proche de la limite approximative de 60 millivolts à température ambiante.
• Le rapport entre les courants à l’état passant et à l’état bloqué dépassait 10 millions pour un.
• Un inverseur complémentaire empilé verticalement a inversé des signaux sous 1 volt.
• Le traitement uniforme de plaquettes de semi-conducteurs constitue la prochaine condition à remplir pour une application industrielle.