Ce nouveau matériau possède des propriétés quantiques qui pourraient révolutionner la nanoélectronique

Toujours plus petits, et toujours plus puissants. Voilà quel pourrait être la devise de nos appareils électroniques. Ordinateurs, téléphones portables ou équipements intelligents ont en effet grandement bénéficié du développement de la nanotechnologie. Grâce à la miniaturisation toujours plus poussée des composants électroniques, les circuits intégrés ont ainsi pu gagner au fur et à mesure en complexité, et donc en performance.

Le cuivre, élément limitant dans la miniaturisation toujours plus poussée des puces électroniques

En intégrant des composants dont la taille est inférieure à 100 nanomètres, la nanoélectronique repose sur des concepts bien différents de ceux de l’électronique classique. À cette échelle, les interactions interatomiques doivent en effet être prises en compte, tout comme certains phénomènes quantiques. On pourrait ainsi s’attendre à ce que de nouveaux matériaux exotiques soient utilisés, mais pourtant certains éléments emblématiques de l’électronique classique sont toujours bel et bien là. C’est le cas du cuivre, métal conducteur par excellence, dont les fils assurent les connexions entre les composants et le transport des signaux électriques. Dans le cadre de la nanoélectronique, ces fils ont bien sûr été amincis à l’extrême. Essentiel, ce processus représente pourtant le talon d’Achille des puces électroniques. Il apparaît en effet qu’en passant dans le domaine nanométrique, ces fils de cuivre voient leur résistance électrique augmenter. Il en résulte une perte d’énergie sous forme de chaleur. Pour contrebalancer cet effet et maintenir le même niveau de performance du circuit électrique, il est alors nécessaire d’augmenter l’apport énergétique. Les fils de cuivre ultrafins représentent donc actuellement un facteur limitant pour le développement de nano-circuits.

Une limitation qui pousse les scientifiques à rechercher des alternatives, notamment en substituant le cuivre par un autre matériau. Mais lequel ?

Le phosphure de niobium, un matériau aux propriétés très intéressantes pour la nanoélectronique

Plusieurs candidats ont déjà été proposés. Mais si les résultats se sont avérés satisfaisants en ce qui concerne la conductivité à l’échelle nanométrique, ces matériaux présentaient un point négatif majeur, limitant de fait leur utilisation pour la confection de nanopuces. « On a pensé que si nous voulions exploiter ces surfaces topologiques, nous avions besoin de beaux films monocristallins qui sont très difficiles à déposer », explique Akash Ramdas, doctorant à l’Université de Stanford, dans un communiqué de presse. Pour déposer ces nano-films conducteurs possédant une structure cristalline très précise, il faut en effet appliquer des températures très hautes. Des conditions qui ne permettent pas leur utilisation sur les surfaces sensibles à la chaleur des puces électroniques.

Une équipe de Stanford a cependant découvert un nouveau candidat, qui ne présente pas cette limitation. Il s’agit du phosphure de niobium. Ce matériau fait partie de la classe des semimétaux topologiques, et sa particularité est qu’il ne possède pas de structure cristalline. C’est un matériau amorphe et cela prend toute son importance dans le domaine de la nanoélectronique, car il peut être déposé sous la forme d’un film ultrafin, de l’épaisseur de quelques atomes seulement, sous une température de 400°C. Une température suffisamment basse pour éviter l’endommagement des puces électroniques composées de silicium.

En tant que semimétal topologique, le phosphure de niobium possède la capacité de conduire l’électricité dans son ensemble. Toutefois, ses faces externes sont plus conductives que l’intérieur. Dans le cas d’un film ultrafin, la partie interne devient extrêmement fine tandis que les surfaces restent les mêmes. De fait, plus le film est mince, plus les surfaces contribuent à conduire l’électricité. Le matériau devient donc un conducteur de plus en plus efficient, au contraire du cuivre.

Une conductivité supérieure au cuivre pour des films d’épaisseur inférieure à 5 nm

L’étude, publiée dans la revue Science, démontre que le phosphure de niobium devient ainsi meilleur conducteur que le cuivre lorsque l’épaisseur du film passe en dessous de 5 nanomètres. C’est la première fois qu’une telle propriété est observée dans une gamme de température qui ne limite pas une utilisation dans l’industrie.

Une découverte qui pourrait donc trouver une application rapide et augmenter de façon significative la puissance des composants électroniques sans augmenter l’apport énergétique. Pour les chercheurs, cela ne signifie pas que le cuivre va rapidement devenir obsolète, ce métal restant meilleur conducteur dans une large gamme d’épaisseur, même dans le domaine nanométrique (l’épaisseur typique des fils de cuivre dans les puces est actuellement de 10 à 30 nanomètres). L’utilisation de phosphure de niobium ne présente un intérêt que lorsque la miniaturisation devient extrême.

De plus amples recherches sont actuellement menées pour savoir si d’autres semimétaux topologiques comme le phosphure de tantale ou l’arséniure de tantale peuvent présenter des propriétés similaires, voire supérieures.