Le meilleur semi-conducteur de tous ?

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Le silicium est l’un des éléments les plus abondants sur Terre et, sous sa forme pure, ce matériau est devenu le fondement d’une grande partie de la technologie moderne, des cellules solaires aux puces informatiques. Mais les propriétés du silicium en tant que semi-conducteur sont loin d’être idéales.

D'une part, bien que le silicium laisse les électrons traverser facilement sa structure, il est beaucoup moins accommodant aux « trous » – les homologues chargés positivement des électrons – et exploiter les deux est important pour certains types de puces. De plus, le silicium ne conduit pas très bien la chaleur, c'est pourquoi les problèmes de surchauffe et les systèmes de refroidissement coûteux sont fréquents dans les ordinateurs.

Aujourd’hui, une équipe de chercheurs du MIT, de l’Université de Houston et d’autres institutions a mené des expériences montrant qu’un matériau connu sous le nom d’arséniure de bore cubique surmonte ces deux limitations. Il offre une grande mobilité aux électrons et aux trous et possède une excellente conductivité thermique. Selon les chercheurs, il s’agit du meilleur matériau semi-conducteur jamais découvert, et peut-être même du meilleur possible.

Jusqu’à présent, l’arséniure de bore cubique n’a été fabriqué et testé qu’en petits lots à l’échelle du laboratoire qui ne sont pas uniformes. Les chercheurs ont dû utiliser des méthodes spéciales initialement développées par Bai Song, ancien postdoctorant du MIT, pour tester de petites régions du matériau. Des travaux supplémentaires seront nécessaires pour déterminer si l’arséniure de bore cubique peut être fabriqué sous une forme pratique et économique, et encore moins pour remplacer le silicium omniprésent. Mais même dans un avenir proche, ce matériau pourrait trouver des utilisations où ses propriétés uniques feraient une différence significative, affirment les chercheurs.

Les résultats sont rapportés aujourd'hui dans la revue Science, dans un article rédigé par Jungwoo Shin, postdoctorant au MIT, et Gang Chen, professeur de génie mécanique au MIT ; Zhifeng Ren de l'Université de Houston ; et 14 autres au MIT, à l'Université de Houston, à l'Université du Texas à Austin et au Boston College.

Des recherches antérieures, notamment celles de David Broido, co-auteur du nouvel article, avaient théoriquement prédit que le matériau aurait une conductivité thermique élevée ; des travaux ultérieurs ont prouvé expérimentalement cette prédiction. Ce dernier travail complète l'analyse en confirmant expérimentalement une prédiction faite par le groupe de Chen en 2018 : selon laquelle l'arséniure de bore cubique aurait également une très grande mobilité pour les électrons et les trous, « ce qui rend ce matériau vraiment unique », explique Chen.

Les expériences précédentes ont montré que la conductivité thermique de l’arséniure de bore cubique est presque 10 fois supérieure à celle du silicium. "C'est donc très intéressant uniquement pour la dissipation de la chaleur", explique Chen. Ils ont également montré que le matériau possède une très bonne bande interdite, une propriété qui lui confère un grand potentiel en tant que matériau semi-conducteur.

Aujourd’hui, les nouveaux travaux complètent le tableau, montrant que, avec sa grande mobilité pour les électrons et les trous, l’arséniure de bore possède toutes les principales qualités nécessaires pour un semi-conducteur idéal. «C'est important car, bien entendu, dans les semi-conducteurs, nous avons des charges positives et négatives de manière équivalente. Ainsi, si vous construisez un appareil, vous souhaitez disposer d’un matériau dans lequel les électrons et les trous se déplacent avec moins de résistance », explique Chen.

Le silicium a une bonne mobilité électronique mais une mauvaise mobilité des trous, et d'autres matériaux tels que l'arséniure de gallium, largement utilisé pour les lasers, ont également une bonne mobilité pour les électrons mais pas pour les trous.

"La chaleur constitue désormais un goulot d'étranglement majeur pour de nombreux appareils électroniques", explique Shin, l'auteur principal de l'article. « Le carbure de silicium remplace le silicium pour l’électronique de puissance dans les principales industries des véhicules électriques, dont Tesla, car il a une conductivité thermique trois fois supérieure à celle du silicium malgré sa moindre mobilité électrique. Imaginez ce que les arséniures de bore peuvent réaliser, avec une conductivité thermique 10 fois supérieure et une mobilité bien supérieure à celle du silicium. Cela peut changer la donne.