Un léger bond en avant : la première puce 2D fonctionnelle au monde

May 30, 2023

Par King Abdullah University of Science & Technology (KAUST) 4 juin 2023

KAUST Le professeur Mario Lanza et ses co-chercheurs ont conçu avec succès la première micropuce 2D au monde utilisant des matériaux synthétiques. Malgré les défis de fabrication, l'équipe a réussi à créer une puce fonctionnant comme un élément de réseau neuronal haute performance et basse consommation, ouvrant des portes pour l'avancement de la technologie des micropuces. Crédit : © 2023 KAUST ; Mario Lanza

La première démonstration d'une micropuce fonctionnelle intégrant des matériaux bidimensionnels atomiquement minces aux propriétés exotiques annonce une nouvelle ère de la microélectronique.

La première micropuce au monde entièrement intégrée et fonctionnelle basée sur des matériaux bidimensionnels exotiques a été fabriquée chez KAUST. Cette percée démontre le potentiel des matériaux 2D pour étendre la fonctionnalité et les performances des technologies basées sur les micropuces.

Since the first fabrication of atomically thin layers of graphite — called grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> graphène - en 2004, il y a eu un intérêt intense pour ces matériaux pour des applications avancées et nouvelles en raison de leurs propriétés physiques exotiques et prometteuses. Mais, malgré deux décennies de recherche, les microdispositifs fonctionnels basés sur ces matériaux 2D se sont révélés insaisissables en raison des défis liés à la fabrication et à la manipulation de films minces aussi fragiles.

Inspirée par les récentes réalisations du laboratoire de Lanza sur les films 2D fonctionnels, la collaboration dirigée par KAUST a maintenant produit et démontré un prototype de micropuce 2D.

"Notre motivation était d'augmenter le niveau de maturité technologique des dispositifs et circuits électroniques à base de matériaux 2D en utilisant des microcircuits CMOS à base de silicium conventionnels comme base et des techniques de fabrication de semi-conducteurs standard", explique Lanza. "Le défi, cependant, est que les matériaux synthétiques 2D peuvent contenir des défauts locaux tels que des impuretés atomiques qui peuvent entraîner la défaillance de petits appareils. De plus, il est très difficile d'intégrer le matériau 2D dans la micropuce sans l'endommager."

L'équipe de recherche a optimisé la conception de la puce pour faciliter sa fabrication et minimiser l'effet des défauts. Pour ce faire, ils ont fabriqué des transistors CMOS (complémentaires à semi-conducteurs à oxyde de métal) standard sur un côté de la puce et alimenté les interconnexions par le dessous, où le matériau 2D a pu être transféré de manière fiable dans de petites pastilles de moins de 0,25 micromètre de diamètre.

"Nous avons produit le matériau 2D - le nitrure de bore hexagonal, ou h-BN, sur une feuille de cuivre - et l'avons transféré sur la micropuce à l'aide d'un procédé humide à basse température, puis nous avons formé des électrodes sur le dessus par évaporation sous vide conventionnelle et photolithographie, qui sont des processus que nous avons en interne », explique Lanza. "De cette façon, nous avons produit un réseau 5 × 5 de cellules à un transistor / un memristor connectées dans une matrice crossbar."

Les propriétés exotiques du h-BN 2D, ici seulement 18 atomes ou 6 nanomètres d'épaisseur, en font un "memristor" idéal - un composant résistif dont la résistance peut être réglée par la tension appliquée. Dans cet agencement 5 × 5, chacune des pastilles de memristor à l'échelle microscopique est connectée à un seul transistor dédié. Cela fournit le contrôle de tension fin nécessaire pour faire fonctionner le memristor en tant que dispositif fonctionnel avec des performances et une fiabilité élevées sur des milliers de cycles, dans ce cas en tant qu'élément de réseau neuronal à faible puissance.

"Avec cette percée phare, nous discutons maintenant avec les principales sociétés de semi-conducteurs pour continuer à travailler dans cette direction", a déclaré Lanza. "Nous envisageons également d'installer notre propre système de traitement industriel à l'échelle de la plaquette pour les matériaux 2D à KAUST afin de faire progresser cette capacité."

Référence : "Micropuces hybrides 2D-CMOS pour les applications mémristives" par Kaichen Zhu, Sebastian Pazos, Fernando Aguirre, Yaqing Shen, Yue Yuan, Wenwen Zheng, Osamah Alharbi, Marco A. Villena, Bin Fang, Xinyi Li, Alessandro Milozzi, Matteo Farronato , Miguel Munoz-Rojo, Tao Wang, Ren Li, Hossein Fariborzi, Juan B. Roldan, Guenther Benstetter, Xixiang Zhang, Husam N. Alshareef, Tibor Grasser, Huaqiang Wu, Daniel Ielmini et Mario Lanza, 27 mars 2023, Nature. DOI 10.1038/s41586-023-05973-1