Le silicium est le matériau fondateur de l'industrie des semi-conducteurs depuis des décennies, mais il approche rapidement de ses limites physiques. Alors que les dimensions des transistors se réduisent à l'échelle atomique, les conceptions à base de silicium sont confrontées à des contraintes fondamentales qui menacent toute miniaturisation supplémentaire — et avec la demande mondiale de puissance de calcul en plein essor amid l'expansion des charges de travail d'IA et la construction de centres de données, la pression pour identifier un matériau de remplacement viable s'est intensifiée dans toute l'industrie. Une nouvelle avancée signalée par TSMC et l'Université nationale Yang Ming Chiao Tung (NYCU) indique une voie potentielle au-delà de ces limites.

L'équipe de recherche a fabriqué un transistor à grille supérieure à base de monocouche de bisulfure de molybdène (MoS₂) incorporant une couche d'interface épitaxiale mesurant seulement 0,42 nanomètre d'épaisseur. Pour donner un ordre de grandeur, un simple brin d'ADN humain mesure environ 2,5 nanomètres de large, ce qui rend cette couche environ six fois plus fine.

Contourner la dispersion des électrons et les fuites

Deux obstacles pratiques ont longtemps entravé le développement de transistors 2D fonctionnels : la dispersion des électrons, dans laquelle les porteurs de charge dévient sur les imperfections à l'interface du matériau, et le courant de fuite, où l'électricité circule par des chemins imprévus. L'équipe TSMC-NYCU a résolu ces deux problèmes en déposant une couche d'aluminium épitaxial ultramince sur une monocouche de MoS₂ cultivée par dépôt chimique en phase vapeur. Ils ont ensuite oxydé cet aluminium pour former un tampon d'oxyde d'aluminium (Al₂O₃).

Au-dessus de ce tampon, les chercheurs ont appliqué un diélectrique de grille en oxyde de hafnium à haute permittivité. L'empilement diélectrique combiné a atteint une épaisseur d'oxyde équivalente d'environ 1 nanomètre — largement considérée comme une référence critique pour les dispositifs semi-conducteurs de nouvelle génération.

Les transistors fabriqués ont présenté un faible courant de fuite et une hystérésis minimale, le phénomène où la sortie d'un dispositif est en retard par rapport à son signal d'entrée. Les dispositifs avec des longueurs de canal d'environ 100 nanomètres ont atteint une transconductance maximale de 0,45 mS/μm. La transconductance — la mesure de l'efficacité avec laquelle un transistor convertit les changements de tension en changements de courant — est un indicateur de performance clé, des valeurs plus élevées signalant un meilleur fonctionnement.

Les résultats ont été publiés dans Nature Electronics. La recherche a été dirigée par le Dr Iuliana Radu de TSMC Corporate Research, avec les professeurs de la NYCU Wen-Hao Chang et Tsung-En Lee.

Pourquoi les matériaux 2D sont importants

Les matériaux bidimensionnels tels que le MoS₂ présentent une alternative prometteuse alors que la mise à l'échelle du silicium manque d'espace. L'International Roadmap for Devices and Systems (IRDS), l'organe de l'industrie qui prévoit les directions technologiques des semi-conducteurs, a identifié les matériaux de canal 2D comme les principaux candidats pour les nœuds de transistors au-delà de la génération de 2 nanomètres. Une monocouche de MoS₂ a une épaisseur naturelle d'environ 0,7 nanomètre, ce qui lui confère un contrôle électrostatique intrinsèquement plus serré à des dimensions extrêmement réduites que ce que le silicium peut fournir. Intel et Samsung ont également publiquement divulgué des programmes de recherche ciblant les transistors à canal 2D, soulignant qu'il s'agit d'un effort intersectoriel plutôt que de la poursuite d'une seule entreprise.

Le chemin vers l'adoption industrielle

Fait crucial, le MoS₂ de cette étude a été cultivé en utilisant le dépôt chimique en phase vapeur, une technique déjà déployée à l'échelle industrielle. Les étapes de dépôt et d'oxydation de l'aluminium épitaxial ne nécessitent pas non plus de catégories fondamentalement nouvelles d'équipements de fabrication, ce qui pourrait faciliter une éventuelle intégration sur le plancher de l'usine.

Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'un élan plus large de l'industrie visant à industrialiser les transistors 2D. En juin 2026, TSMC, imec et ASML ont annoncé des efforts collaboratifs sur l'intégration de transistors 2D de 300 mm — un signal indiquant que les principaux acteurs de l'infrastructure semi-conductrice considèrent cette classe de matériaux comme un candidat sérieux pour les futurs nœuds de processus.