Une équipe de chercheurs a découvert ce que le Massachusetts Institute of Technology appelle le « meilleur matériau semi-conducteur jamais trouvé », encore meilleur que le silicium, le matériau utilisé dans presque toutes les puces informatiques sur terre.En juillet, des scientifiques du MIT, de l'Université de Houston et d'autres institutions ont annoncé qu'ils avaient prouvé que l'arséniure de bore cubique était plus performant que le silicium pour conduire la chaleur et l'électricité, ouvrant de nouvelles possibilités pour des puces plus petites et plus rapides. L'équipe comprend le professeur né en Chine Gang Chen, l'ancien chef du département de génie mécanique du MIT, qui a fait l'objet d'une enquête d'un an par le ministère de la Justice avant que l'agence n'abandonne les accusations d'espionnage en raison du manque de preuves.
Il pourrait s'écouler des décennies avant que les semi-conducteurs à base d'arséniure de bore cubique ne soient utilisés dans les puces disponibles dans le commerce, s'ils s'avèrent viables. Mais en fin de compte, le nouveau matériau peut aider les concepteurs à surmonter les limites naturelles des modèles actuels pour fabriquer des puces meilleures, plus rapides et plus petites, et sa découverte est le type de recherche que les États-Unis risquaient de manquer avec une répression désormais dissoute contre des experts comme Chen.
Arséniure de bore cubique
Malgré son omniprésence dans l'industrie des puces, le silicium n'est pas le meilleur semi-conducteur qui soit. D'une part, il ne conduit pas très bien la chaleur, ce qui signifie que les puces et les appareils grand public doivent souvent inclure des systèmes de refroidissement coûteux ou risquent de surchauffer.
Selon l'étude de juillet, l'arséniure de bore cubique conduit la chaleur 10 fois mieux que le silicium. « La chaleur est un goulot d'étranglement majeur pour l'électronique », a déclaré Chen dans un communiqué de presse accompagnant l'étude, qualifiant le nouveau matériau de « potentiel game changer ».
L'étude a également révélé que l'arséniure de bore cubique est meilleur que le silicium pour conduire à la fois les électrons et son homologue chargé positivement, le « trou d'électrons ». Ce dernier est une faiblesse particulièrement flagrante du silicium, limitant la vitesse des semi-conducteurs à base de silicium.
Les concepteurs de puces commencent à se heurter aux limites naturelles du silicium dans leur quête de puces plus petites et plus rapides. Les chercheurs parlent publiquement de la fin de la loi de Moore, la prédiction de 1975 du cofondateur d'Intel, Gordon Moore, selon laquelle le nombre de transistors dans une puce doublerait tous les deux ans, qui est depuis lors une étoile directrice pour l'industrie des semi-conducteurs.
Les chercheurs explorent des moyens d'augmenter la vitesse des nouveaux ordinateurs grâce à de nouveaux matériaux pour les puces ou à de nouvelles technologies comme l'informatique quantique. Des matériaux comme l'arséniure de bore cubique - en supposant qu'ils puissent être commercialisés - pourraient aider les concepteurs à continuer à fabriquer des puces informatiques encore plus petites et plus rapides.
Mais il reste encore un long chemin à parcourir avant que l'arséniure de bore cubique puisse être utilisé en dehors du laboratoire. Le matériau n'a été fabriqué qu'en petites quantités et les chercheurs avaient besoin d'un équipement spécial pour étudier ses propriétés, selon le MIT.
« Le silicium est le cheval de bataille de toute l'industrie », a déclaré Chen dans le communiqué, notant que les scientifiques ont passé des décennies à développer des procédures pour purifier le silicium aux niveaux nécessaires à la fabrication de puces, atteignant une pureté de 99,99999999% ou le soi-disant niveau dix-neuf. Mais Chen a déclaré que si les recherches futures pouvaient surmonter les obstacles à la production industrielle, l'arséniure de bore cubique pourrait devenir « un candidat prometteur pour l'électronique de nouvelle génération ».
Les chercheurs du MIT affirment que l'arséniure de bore cubique est le meilleur matériau semi-conducteur jamais trouvé, et peut-être le meilleur possible
Extrait du communiqué du MIT
Le silicium est l'un des éléments les plus abondants sur Terre et, sous sa forme pure, ce matériau est devenu la base 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 permette aux électrons de traverser facilement sa structure, il est beaucoup moins accommodant pour les « trous » - les homologues chargés positivement des électrons - et exploiter les deux est important pour certains types de puces. De plus, le silicium n'est pas très bon pour conduire la chaleur, c'est pourquoi les problèmes de surchauffe et les systèmes de refroidissement coûteux sont courants dans les ordinateurs.
Cette fois-ci, 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. C'est, selon les chercheurs, le meilleur matériau semi-conducteur jamais trouvé, et peut-être le meilleur possible.
Jusqu'à présent, l'arséniure de bore cubique n'a été fabriqué et testé que dans de petits lots à l'échelle du laboratoire qui ne sont pas uniformes. Les chercheurs ont dû utiliser des méthodes spéciales développées à l'origine par l'ancien post-doctorant du MIT Bai Song pour tester de petites régions dans le 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 remplacer le silicium omniprésent. Mais même dans un avenir proche, le matériau pourrait trouver des utilisations où ses propriétés uniques feraient une différence significative, selon les chercheurs.
Les résultats sont rapportés aujourd'hui dans la revue Science, dans un article du post-doctorant du MIT Jungwoo Shin et du professeur de génie mécanique du MIT Gang Chen; 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, y compris les travaux 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 : que l'arséniure de bore cubique aurait également une mobilité très élevée 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. "Donc, c'est très intéressant juste pour la dissipation de la chaleur", dit Chen. Ils ont également montré que le matériau a une très bonne bande interdite, une propriété qui lui confère un grand potentiel en tant que matériau semi-conducteur.
Maintenant, le nouveau travail complète 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 sûr, dans les semi-conducteurs, nous avons des charges positives et négatives équivalentes. Donc, si vous construisez un appareil, vous voulez avoir un matériau où les électrons et les trous se déplacent avec moins de résistance », explique Chen.
Le silicium a une bonne mobilité des électrons, mais une faible 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.
Les accusations d'espionnage abandonnées
L'étude est également un changement de fortune significatif pour l'un de ses auteurs éminents, Chen, qui était une cible de premier plan d'une initiative de l'ère Trump visant à enquêter sur les accusations d'espionnage chinois.
Le ministère américain de la Justice, par le biais d'un programme appelé China Initiative, a accusé des dizaines d'universitaires chinois et sino-américains de cacher leurs liens avec les institutions chinoises afin de partager des technologies de pointe avec Pékin.
Les autorités ont arrêté Chen, qui est né en Chine et naturalisé en tant que citoyen américain en 2000, en janvier 2021. Il a été accusé de ne pas avoir divulgué ses liens avec des institutions chinoises lors de demandes de subvention au ministère de l'Énergie. « Ce n'était pas seulement une question de cupidité, mais de loyauté envers la Chine », affirmait Andrew Lelling, qui était alors procureur dans le Massachusetts.
La communauté scientifique, en particulier au MIT, a vivement critiqué l'arrestation. La faculté du MIT, dans une lettre ouverte, a écrit que « la défense du professeur Chen est la défense de l'entreprise scientifique qui nous est chère à tous - nous sommes tous Gang Chen ».
Le ministère de la Justice, sous l'administration Biden, a abandonné les charges contre Chen en janvier 2022 après que des responsables du ministère de l'Énergie ont révélé que Chen n'avait jamais été tenu de faire les révélations qu'il était accusé d'avoir omises. Dans une déclaration publiée lorsque les charges ont été abandonnées, Chen a accusé le ministère de la Justice de continuer à alimenter « une peur injustifiée à la communauté universitaire ».
Un mois après avoir abandonné l'affaire Chen, le ministère de la Justice a dissous la China Initiative. « Nous avons contribué à créer une perception néfaste selon laquelle le département applique une norme inférieure pour enquêter et poursuivre les conduites criminelles liées à [la Chine] ou que nous considérons d'une manière ou d'une autre les personnes ayant des liens raciaux, ethniques ou familiaux avec la Chine différemment », a déclaré l'assistant du procureur général de la sécurité nationale Matthew Olsen à ce moment-là.
Les scientifiques ont également fait valoir que des enquêtes comme celle sur Chen avaient dissuadé les universitaires, en particulier ceux de Chine, de se rendre aux États-Unis, privant les États-Unis de la possibilité de bénéficier de leurs recherches. « Cela fait fuir les talents », a déclaré un membre du corps professoral du MIT à WBUR en février.
Les experts ont souligné le manque d'expertise scientifique et technique qualifiée comme une contrainte majeure à la volonté américaine de restaurer son importance dans la recherche et le développement, y compris la reconstruction de son industrie nationale de fabrication de semi-conducteurs. Une étude a estimé que les États-Unis auraient besoin d'augmenter leur main-d'œuvre de fabrication de puces de 50 % pour supplanter l'Asie en tant que centre de fabrication de puces, des talents qui devraient provenir de l'étranger, y compris de la Chine.
Sources : étude, MIT
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Envoyé par marsupial
