Comment les scientifiques ont rendu les semi-conducteurs supraconducteurs

Limites de la supraconductivité

L’électricité est l’une des technologies les plus transformatrices de l’histoire, permettant la transmission d’une forme d’énergie très utile sur de longues distances. Mais tout système électrique « normal » est confronté à une résistance électrique, qui génère de la chaleur lorsqu’un courant électrique est appliqué.

Il existe une alternative : les matériaux supraconducteurs. Ces matériaux présentent une résistance électrique nulle, permettant ainsi le passage de courants extrêmement puissants sans production de chaleur.

Sans la supraconductivité, de nombreuses technologies modernes seraient impossibles, notamment les accélérateurs de particules (par exemple, CERN), IRM et trains maglev.

La supraconductivité sera un élément crucial des mégaprojets et des innovations technologiques les plus prometteurs, comme ITER et la fusion nucléaire, conducteurs de masse, ordinateurs quantiques, etc.

Les lignes électriques sans perte pourraient également jouer un rôle crucial dans le développement de connexions de réseau ultra-longues, contribuant à amortir la production d'énergies renouvelables en fonction des conditions météorologiques et des fuseaux horaires, et à résoudre certaines des limitations de l'énergie solaire et éolienne.

Cependant, la supraconductivité n'a été maîtrisée jusqu'à présent que pour des matériaux qui la présentent à des températures ultra-basses, à peine quelques degrés au-dessus du zéro absolu. Ou à des pressions extrêmement élevées. Ou les deux.

Cela le rend non seulement trop complexe pour toutes les applications, sauf les plus exigeantes (maglev, IRM, etc.), mais aussi très coûteux, ce qui le rend non rentable pour de nombreuses applications qui pourraient bénéficier de matériaux supraconducteurs pour une utilisation à grande échelle.

De nombreuses voies vers la supraconductivité

Il semble désormais que le matériau produit sous haute pression puisse conserver une partie de sa supraconductivité à des pressions plus basses. grâce à une méthode expérimentale appelée protocole d'extinction par pression (PQP).

Récemment, la bicouche torsadée de WSe₂ (tungstène sélénium) Il semble également être un bon candidat pour les supraconducteurs à haute température.

Une autre nouvelle classe de supraconducteurs potentiels, les nickelates bicouches auraient pu être ajoutés à la liste cette année également.

Cependant, tous ces matériaux sont relativement nouveaux et exotiques, ce qui les rend encore assez éloignés d'une production de masse et d'un déploiement à grande échelle.

Cela pourrait changer grâce à la découverte que les semi-conducteurs à base de germanium peuvent être transformés en supraconducteurs. Ces recherches ont été menées par des scientifiques de l'Université du Queensland (Australie), de l'Université de New York, de l'ETH Zurich (Suisse) et de l'Université d'État de l'Ohio, qui ont publié leurs résultats dans la revue Nature Nanotechnology.¹, sous le titre "Supraconductivité dans des couches minces épitaxiales de Ge hyperdopées au Ga par substitution ».

Des semi-conducteurs aux supraconducteurs

Semiconducteurs au germanium

Le germanium et le silicium appartiennent tous deux au groupe IV et possèdent une structure cristalline semblable à celle du diamant. Cette structure cristalline leur confère des propriétés intermédiaires entre celles d'un métal (conducteur d'électricité) et celles d'un isolant (non conducteur), ce qui les rend utiles pour la fabrication de semi-conducteurs.

La production de semi-conducteurs au germanium est déjà bien maîtrisée et réalisée à grande échelle pour divers dispositifs électroniques et optiques. C'était en fait l'un des premiers matériaux utilisés pour les diodes et les transistorset n'a été remplacé par le silicium que grâce à ses coûts inférieurs et stabilité thermique supérieure.

Aujourd'hui, le germanium, essentiel à l'électronique et à l'optique infrarouge, notamment pour les capteurs des missiles et des satellites de défense, est principalement produit à partir de mines de zinc et de molybdène.

Pour créer la supraconductivité, il faut que les électrons s'apparient, leur permettant de se déplacer dans le matériau sans résistance.

Dès 2023, une phase supraconductrice a été découverte dans des films de germanium., un travail mené par les chercheurs à l'origine de cette dernière découverte, dopant un matériau à base de gallium avec du germanium.

Source: ResearchGate

« Cela fonctionne car les éléments du groupe IV ne sont pas naturellement supraconducteurs dans des conditions normales, mais la modification de leur structure cristalline permet la formation de paires d'électrons qui rendent possible la supraconductivité. »

Javad Shabani – Directeur du Centre de physique de l'information quantique de l'Université de New York.

Potentiel de mise à l'échelle

Si les tentatives précédentes de créer un comportement supraconducteur dans des semi-conducteurs tels que le germanium et le silicium ont prouvé le concept, elles ont eu du mal à le réaliser à grande échelle.

Les principaux enjeux consistaient à préserver la structure atomique tout en assurant des propriétés de conduction appropriées. En règle générale, une forte concentration de gallium déstabilise le cristal, empêchant ainsi la supraconductivité.

Néanmoins, il s'agit d'une idée prometteuse, car la fabrication de semi-conducteurs au germanium est une technologie très bien maîtrisée, avec de nombreux équipements prêts à l'emploi.

« Le germanium est déjà un matériau de base pour les technologies semi-conductrices avancées ; le fait de démontrer qu'il peut également devenir supraconducteur dans des conditions de croissance contrôlées ouvre la voie à des dispositifs quantiques évolutifs et prêts pour la production en fonderie. »

Dr Peter Jacobson – Chercheur à l'Université du Queensland

Nouvelle méthode de production

La plupart des méthodes de dopage visent à incorporer les ions dans le matériau, mais aboutissent à des résultats assez irréguliers. Si cela peut suffire à améliorer les performances des semi-conducteurs, cette méthode est trop imprécise pour induire la supraconductivité.

Les chercheurs ont donc utilisé une technique appelée épitaxie par jets moléculaires (MBE)Il dirige faisceaux de sources atomiques ou moléculaires sur un substrat chauffé dans un environnement à ultra-vide (UHV).

Source: Expliquez-moi ça

Cela permet un contrôle précis de la composition, de l'épaisseur et du dopage du film en croissance.

« Plutôt que l’implantation ionique, l’épitaxie par jets moléculaires (EJM) a été utilisée pour incorporer avec précision des atomes de gallium dans le réseau cristallin du germanium. »

L’utilisation de l’épitaxie – la croissance de fines couches cristallines – nous permet enfin d’atteindre la précision structurelle nécessaire pour comprendre et contrôler comment la supraconductivité émerge dans ces matériaux.

Dr Julian Steele – Chercheur à l'Université du Queensland

En utilisant l'absorption des rayons X par synchrotron, les chercheurs ont découvert que les dopants de gallium sont incorporés dans le réseau de germanium, introduisant une distorsion tétragonale dans la maille élémentaire du cristal.

Source: Natural Nanotechnology

Cet ordre structurel crée une bande électronique étroite pour l'émergence de la supraconductivité dans le Ge.

Source: Natural Nanotechnology

Plus important encore, cette méthode peut fonctionner à l'échelle de la plaquette, les mêmes méthodes utilisées pour la production en série de puces électroniques.

Source: WaferWorld

« Ces travaux théoriques ont confirmé que les atomes de gallium s'insèrent parfaitement dans le réseau cristallin du germanium, créant ainsi les conditions électroniques nécessaires à la supraconductivité. »

C'est un exemple élégant de la façon dont le calcul et l'expérimentation, combinés, peuvent résoudre un problème qui a mis à l'épreuve la science des matériaux pendant plus d'un demi-siècle. »

Dr Carla Verdi – Chercheuse à l'Université du Queensland

Applications

La supraconductivité que cette méthode crée n'est pas une supraconductivité à température ambiante, car elle nécessite des températures aussi basses que 3.5°K (-269°C / -453°F), un phénomène qui échappe encore à la science des matériaux.

Néanmoins, la facilité de sa production, grâce à des machines bien établies utilisées par l'industrie des semi-conducteurs, pourrait radicalement changer la façon dont les puces supraconductrices sont fabriquées.

Cela pourrait radicalement transformer la production des matériaux pour ordinateurs quantiques. Il est fort probable qu'au lieu de recourir à des matériaux supraconducteurs coûteux, un futur ordinateur quantique utilise simplement une plaquette de semi-conducteur gallium-germanium « classique », rendue supraconductrice à certains endroits de la puce.

« Ces matériaux ouvrent la voie à une nouvelle ère de dispositifs quantiques hybrides et pourraient servir de base aux futurs circuits quantiques, capteurs et à l'électronique cryogénique basse consommation, qui nécessitent tous des interfaces propres entre les régions supraconductrices et semi-conductrices. »

Dr Peter Jacobson – Chercheur à l'Université du Queensland

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Investir dans la fabrication de semi-conducteurs

TSMC

La production de semi-conducteurs est une industrie dominée par la combinaison d'une expertise très pointue et complexe, et par la nécessité de produire en masse à grande échelle pour réduire les coûts.

Aucune entreprise n'a aussi bien réussi à maîtriser ce modèle commercial que TSMC, la société taïwanaise leader mondial dans la fabrication de puces ultra-avancées.

TSMC produit, bien sûr, principalement des puces en silicium, notamment les puces les plus performantes gravées en 3 et 2 nm. Et comme elle produit majoritairement les puces les plus avancées et les plus coûteuses, elle contrôle plus de la moitié des revenus mondiaux de l'industrie de la fonderie de semi-conducteurs.

Source: Éric Flaningam

TSMC évolue aujourd'hui pour commencer à produire des puces en silicium aux États-Unis. notamment grâce à un investissement massif dans ses nouvelles fonderies en Arizona..

TSMC est néanmoins également un expert en transistors avancés à base de germanium et autres semi-conducteurs.

Ainsi, même si l'entreprise tire actuellement la majeure partie de ses bénéfices des puces avancées et de la fabrication de matériel d'IA pour des entreprises comme Nvidia (NVDA ), elle pourrait également être l'un des principaux bénéficiaires de la découverte que les méthodes de fabrication courantes des semi-conducteurs peuvent produire.

Dernières actualités et développements concernant l'action TSMC (TSM)

Étude référencée :

^{1. Steele, JA, Strohbeen, PJ, Verdi, C. et al. Supraconductivité dans les couches minces épitaxiales de Ge hyperdopées par substitution au Ga. Nat. Nanotechnologie. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02042-8}