Aujourd’hui, les composants microélectroniques sont fabriqués à base de couches de semi-conducteurs déposées sur un substrat de silicium. Afin de poursuivre l’accroissement périodique des performances des composés microélectroniques au-delà de 2020, des solutions technologiques alternatives sont à l’étude. Les chercheurs travaillent de plus en plus sur les oxydes de métaux de transition (cuivre, titane, manganèse, fer, cobalt, nickel…) qui présentent des propriétés physiques intéressantes comme la supraconductivité la magnétorésistance, la thermoélectricité, la multi-ferroïcité, ou encore la capacité photo-catalytique.
Parmi les oxydes des métaux de transition, le titanate de strontium (SrTiO3) est très étudié. 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.
Des mémoires non volatiles ou des circuits transparents
Une découverte inattendue vient de faire sauter ce verrou technologique. Elle est due à une équipe internationale pilotée par les chercheurs du Centre de spectrométrie nucléaire et spectrométrie de masse (Université Paris-Sud 11/CNRS) en collaboration étroite avec des chercheurs du Laboratoire de physique des solides (Université Paris-Sud 11/CNRS), de l’Unité mixte de physique CNRS/Thales associée à l’Université Paris-Sud 11 et de l’Institut d’électronique fondamentale (Université Paris-Sud 11/CNRS). Ces chercheurs viennent, en effet, de réaliser un gaz d’électrons métallique bidimensionnel à la surface de SrTiO3. Il s’agit d’une couche conductrice de 2nm 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 le 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 ferroélectrique 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 tactiles.
Les expériences de photoémission résolue en angle (ARPES) qui ont servi à mettre en évidence le gaz d’électron métallique bidimensionnel ont été réalisées au synchrotron SOLEIL, à Saint-Aubin (France) et au Synchrotron Radiation Center de l’Université du Wisconsin (Etats-Unis).