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Microélectronique : vers un transistor multifonction

Ridha Loukil

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Microélectronique : vers un transistor multifonction

Le synchrotron Soleil qui a aidé à cette découverte.

© DR

Des chercheurs du CNRS et de l'Université Paris-Sud 11 ont réussi à créer une couche conductrice à la surface d'un matériau de transition isolant et transparent. Un résultat qui ouvre la voie du transistor multifonction.

Le transistor, l’élément de base des puces électroniques, joue aujourd’hui le rôle d’interrupteur électronique offrant les deux états binaires 0 et 1. Va t-il étendre ses capacités à d’autres fonctions ? Le résultat obtenu par des chercheur du CNRS et de l’ Université de Paris-Sud 11 va en tout cas dans ce sens. Ils ont réussi à créer une couche conductrice à la surface d’un matériau isolant et transparent, en l’occurrence du titanate de strontium (SrTiO3). De quoi ouvrir de perspectives intéressantes à la microrélectronique avec un transistor multifonction. Cette découverte inattendue, mise en évidence au synchrotron SOLEIL, est publiée dans la revue Nature du 13 janvier 2011.

Aujourd'hui, les puces électroniques sont fabriquées à base de couches de semi-conducteurs déposées sur un substrat de silicium. Afin de poursuivre l'accroissement des performances au-delà de 2020, des alternatives technologiques sont à l'étude.

Les chercheurs travaillent sur les oxydes de métaux de transition ( cuivre, titane, manganèse, fer, cobalt, nickel…), qui présentent des propriétés physiques intéressantes telles :

  • la supraconductivité : capacité à conduire le courant électrique sans pertes
  • la magnétorésistance : changement de la résistance de plusieurs ordres de grandeur lors d’application d'un très faible champ magnétique, utilisée dans les disques durs et clés USB ;  
  • la thermoélectricité : capacité à transformer un gradient de température en énergie électrique ;  
  • la multi-ferroïcité : coexistence de ferroélectricité, ferromagnétisme et/ou ferroélasticité ; 
  • la capacité photo catalytique : par exemple décomposition de l'eau en oxygène et hydrogène en présence de lumière ultraviolette.


Le titanate de strontium (SrTiO3) figure parmi les oxydes des métaux de transition le plus étudié pour la microélectronique du futur. C'est un isolant, mais il devient bon conducteur en le dopant (en créant quelques lacunes d'oxygène par exemple). Les interfaces entre le SrTiO3 et d'autres oxydes (LaTiO3 ou LaAlO3) sont conductrices, même si les deux matériaux sont isolants. En plus, elles présentent de la supraconductivité, de la magnétorésistance, ou de la thermoélectricité avec de très bons rendements à température ambiante. Seulement voilà : les interfaces entre oxydes sont très difficiles à réaliser.

Une couche de gaz d'électrons métalliques bidimensionnel

Une découverte inattendue vient de faire sauter ce verrou technologique. Une équipe internationale pilotée par des scientifiques du CNRS et de l'Université Paris-Sud 11 vient de réaliser un gaz d'électrons métalliques bidimensionnel à la surface de SrTiO3. Il s'agit d'une couche conductrice de deux nanomètres d'épaisseur environ, obtenue en cassant un morceau de titanate de strontium sous vide. Ce procédé, très simple, est peu coûteux. Les éléments qui constituent SrTiO3 sont disponibles en grande quantité dans les ressources naturelles et c'est un matériau non toxique, contrairement aux matériaux les plus utilisés aujourd'hui en microélectronique (les tellurures de bismuth). En outre, des gaz d'électrons métalliques bidimensionnels pourraient probablement être créés de façon similaire à la surface d'autres oxydes de métaux de transition.

La découverte d'une telle couche conductrice (sans avoir à rajouter une couche d'un autre matériau) est un grand pas en avant pour la microélectronique à base d'oxydes. Elle pourrait permettre de combiner les propriétés intrinsèques multifonctionnelles des oxydes de métaux de transition avec celles du métal bidimensionnel à sa surface. On peut songer, par exemple, au couplage d'un oxyde ferro-électrique avec le gaz d'électrons à sa surface, pour faire des mémoires non volatiles, ou à la fabrication de circuits transparents sur la surface des cellules solaires ou des écrans plats.

Ridha Loukil

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