Une méthode novatrice pour assembler des matériaux incompatibles

Comment faire cohabiter deux matériaux qui se repoussent ? Des chercheurs ont trouvé une solution élégante à ce casse-tête vieux de plusieurs décennies.

Des chercheurs du Laboratoire Nanotechnologies Nanosystèmes (LN2) de l’Université de Sherbrooke (Québec, Canada), en collaboration avec le Fraunhofer ISE (Allemagne), l’Université du Michigan (États-Unis) et l’Université Paris-Saclay (France), ont développé une approche originale permettant d’associer des matériaux traditionnellement incompatibles, comme le germanium et le silicium.

Le défi : quand les matériaux refusent de s’entendre

Imaginez essayer d’assembler deux pièces d’un puzzle dont les formes ne correspondent pas parfaitement. C’est exactement le problème auquel font face les chercheurs en microélectronique depuis des décennies.

Quand vous voulez fabriquer un composant sur un matériau semi-conducteur, vous avez besoin d’un matériau de qualité. Si votre matériau présente des défauts, ces derniers vont se répercuter sur les performances de votre composant, sur sa fiabilité et sur sa durée de vie.

Pr Ali Soltani, membre du LN2 et co-auteur de l’article scientifique.

Le germanium et le silicium, deux matériaux essentiels en microélectronique, ont des structures cristallines différentes, leurs atomes ne s’alignent pas parfaitement. Cette incompatibilité génère des défauts appelés « dislocations », comparables à des fissures dans un mur mal construit. Ces dislocations nuisent gravement aux performances des dispositifs micro-opto-électroniques.

Une solution contre-intuitive : le germanium sur « quasi rien »

L’équipe de recherche a développé une technique qualifiée de « germanium sur quasi rien » (« germanium on quasi-nothing »). Au lieu d’essayer de forcer les deux matériaux à s’accorder directement, les chercheurs ont créé un espace nanométrique, environ 15 angströms, soit quelques millionièmes de millimètre, entre certaines couches atomiques. « La dislocation, c’est un mal nécessaire. Sans elle, le film va délaminer complètement. C’est le moyen très efficace qu’a trouvé la nature pour que subsiste la couche », précise le Pr Ali Soltani.

« Notre approche repose sur la maîtrise et la redirection des défauts cristallins plutôt que sur leur élimination. Lorsqu’une dislocation est présente, elle l’est souvent par nécessité en raison des contraintes internes. L’objectif consiste alors à l’empêcher d’agir et de nuire aux performances du composant. Plutôt que de la laisser migrer vers la surface active où sera fabriqué le dispositif, nous cherchons à orienter sa propagation vers une surface latérale inerte, qui ne sera pas utilisée dans le fonctionnement du composant final », explique le Pr Ali Soltani.

Cette approche utilise des piliers micro, voire mesoscopique au moyen d’un procédé électrochimique sophistiqué pour créer cet écart (« gap ») nanométrique qui agit comme un coussin mécanique. Le germanium peut ainsi se détendre et corriger naturellement ses défauts cristallins, atteignant une qualité quasi parfaite en surface du matériau.

Une collaboration internationale née à Sherbrooke

Cette avancée est le fruit d’une maturation scientifique de longue haleine, rendue possible grâce aux liens solides que le LN2 entretient avec le réseau Renatech, et en particulier avec l’Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN) situé près de Lille et le Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N).

Le professeur Ali Soltani met en avant l’importance des collaborations internationales en précisant : « En ce qui concerne les équipements et les infrastructures, il existe une complémentarité notable par rapport à nos ressources locales. Ces partenariats nous permettent d’accéder à des moyens techniques de pointe, essentiels pour mener à bien ce type de recherche. »

Cette collaboration illustre la mission du LN2, qui vise à bâtir des ponts entre la science fondamentale et l’innovation industrielle. Ce travail démontre comment des approches de nanofabrication avancée peuvent surmonter des barrières considérées comme infranchissables depuis des décennies.

Pr Ali Soltani.

Des applications prometteuses et concrètes

Cette avancée ouvre des perspectives considérables. Les applications potentielles incluent :

• Énergie solaire : Des cellules solaires multijonctions plus abordables et performantes, cruciales pour la transition énergétique
• Photonique : Des circuits photoniques intégrés pour les communications optiques ultrarapides
• Capteurs : Des détecteurs ultrasensibles pour l’imagerie médicale et la surveillance environnementale
• Informatique quantique : Des plateformes où la pureté cristalline est essentielle pour maintenir la cohérence quantique

« Le germanium intéresse énormément l’industrie, notamment pour tout ce qui touche à l’optique et le photovoltaïque. Il y a beaucoup de choses qui se font autour du germanium, mais il fallait trouver des solutions. Ce travail constitue une des solutions très prometteuses pour l’avenir », affirme le Pr Ali Soltani.

Un grand pas, et certainement pas le dernier!

Comme toute innovation, cette méthode a ses limites. « Si vous voulez faire de larges piliers pour réaliser de gros composants, la dislocation au centre du pilier va se diriger vers la surface, car trop éloignée des latéraux, ce qui n’est évidemment pas favorable », explique le Pr Ali Soltani.

Néanmoins, il qualifie cette avancée de « grand pas » par rapport aux méthodes existantes.

L’équipe envisage maintenant d’étendre ce concept à d’autres matériaux incompatibles. « La preuve de concept a aussi été démontrée de manière reproductible sur le carbure de silicium (SiC) ainsi que sur des surfaces de gaufres de plus de 6 pouces », révèle le Pr Ali Soltani, suggérant un potentiel de transfert industriel prometteur.

Une reconnaissance internationale

L’importance de cette découverte a été reconnue par une publication dans la prestigieuse revue Advanced Materials. L’article a également été sélectionné par l’éditeur pour figurer en frontispice du numéro 47 de novembre 2025, témoignant l’impact significatif de ces travaux pour la communauté scientifique internationale.

Article publié dans Advanced Materials 
Bioud, Y.A., Bouchilaoun, M., Schreiber, W., Amrar, R., Patriarche, G., Ma, T., Ohlmann, J., Soltani, A., Lackner, D., Janz, S., 2025. Overcoming Material Incompatibility via 2D Free-Surface Engineering. Advanced Materials e05101. https://doi.org/10.1002/adma.202505101