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Au-delà du silicium
La semaine dernière, lors du forum semi-annuel des développeurs Intel à San Francisco, le fabricant de puces Intel a annoncé un transistor fabriqué à partir d'un matériau appelé antimoniure d'indium (InSb) qui avait des statistiques impressionnantes : il était cadencé à 1,5 fois la vitesse des transistors à base de silicium et utilisé un dixième de la puissance.
Selon le directeur de la stratégie technologique d'Intel, Paolo Gargini, qui a présenté les résultats, un passage du silicium pourrait être crucial pour l'industrie de la fabrication de puces, afin qu'elle puisse construire des appareils plus petits au cours des deux prochaines décennies. Alors que les transistors en silicium ne cessent de rétrécir, les limites du matériau deviennent de plus en plus apparentes. Le silicium n'est pas le meilleur semi-conducteur, dit Gargini.
Mais bien sûr, le silicium est à la fois très répandu et relativement peu coûteux, et son processus de fabrication est affiné depuis 30 ans. Ce qui rend les semi-conducteurs dits composés - ceux constitués de plusieurs éléments, tels que l'antimoniure d'indium - si attrayants, ce sont leurs propriétés électriques et optiques spéciales.
Les électrons peuvent traverser un cristal d'antimoniure d'indium 50 fois plus rapidement qu'un cristal de silicium, explique Gargini. En conséquence, non seulement les opérations électroniques sont beaucoup plus rapides, mais il faut moins de puissance pour pousser les électrons.
Les semi-conducteurs composés ont également des propriétés optiques qui pourraient aider à accélérer la communication entre les transistors sur une puce et plusieurs puces dans un appareil. Ces matériaux émettent et détectent facilement la lumière - une caractéristique qui a été étudiée et améliorée pendant des décennies, dit David Hodges , ingénieur électricien à l'Université de Californie, Berkeley. Par conséquent, dit-il, les émetteurs de lumière et les détecteurs faits de matériaux composites pourraient potentiellement remplacer les fils de cuivre, qui constituent un obstacle majeur à la vitesse.
Les matériaux composites ont aussi leurs inconvénients, cependant. Actuellement, des centaines de milliards de transistors sont fabriqués à la fois sur des plaquettes de silicium pouvant atteindre 12 pouces de diamètre. Les cristaux de matériaux composés, tels que l'antimonure d'indium (InSb), l'arséniure de gallium (GaAs), l'arséniure d'indium (InAs) et l'arséniure d'indium et de gallium (InGaAs), cependant, ont tendance à se briser facilement et ne peuvent donc pas être transformés en ces grosses plaquettes, dit Gargini. Cela signifie que les matériaux composites ne pourraient jamais remplacer complètement le silicium comme base de plaquette pour les appareils électriques, dit-il.
Au lieu de cela, des îlots de transistors InSb doivent être déposés sur le substrat de silicium de grand diamètre. Mais le dépôt de transistors antimoniure d'indium sur du silicium crée un défi supplémentaire. Les atomes d'un cristal de silicium sont espacés de 0,543 nanomètres, tandis que les atomes de l'antimoniure d'indium sont distants de 0,648 nanomètres. En raison de cette inadéquation, lorsque les deux matériaux sont placés l'un à côté de l'autre, tous les atomes à l'interface ne se lient pas ensemble, ce qui entraîne des dispositifs inefficaces.
Le moyen de surmonter cela, explique Gargini, est d'ajouter de fines couches de matériaux tampons sur le silicium qui ont un espacement atomique similaire à celui-ci, puis d'ajuster progressivement les compositions chimiques des couches tampons, jusqu'à ce qu'elles aient un espacement atomique similaire à celui de l'indium. antimoniure. Trouver les rapports chimiques idéaux pour fournir les meilleures couches tampons sera l'un des principaux défis de l'intégration de l'antimoniure d'indium sur la plate-forme de silicium existante d'Intel, dit-il.
En plus de trouver le meilleur tampon pour les îlots InSb sur la plaquette de silicium, selon Jésus del Alamo , ingénieur électricien au MIT spécialisé en microélectronique, les ingénieurs doivent également considérer la couche isolante, le diélectrique de grille, au-dessus du transistor, qui est cruciale pour le fonctionnement électrique de l'appareil. Actuellement, les transistors au silicium utilisent une couche de dioxyde de silicium comme diélectrique de grille. Pour les semi-conducteurs composés, cependant, le dioxyde de silicium ne fonctionne pas comme matériau isolant, explique del Alamo. La qualité de l'interface entre les semi-conducteurs composés et le dioxyde de silicium n'est pas assez bonne et la constante diélectrique du dioxyde de silicium est trop petite. Par conséquent, une toute nouvelle classe de diélectriques de grille de haute qualité devra être développée. Ce sera un énorme défi, dit-il.
Del Alamo croit toujours, cependant, que de tels obstacles seront surmontés à mesure que le domaine mûrira. Je suis très optimiste quant à la réalisation de ces percées, dit-il.
Gargini d'Intel s'attend à ce que la technologie, qu'Intel a commencé à rechercher il y a environ trois ans, passe à la fabrication dans une autre décennie environ. Il souligne également que les semi-conducteurs composés ne sont qu'une des nombreuses possibilités pour les futurs microprocesseurs. En fait, Intel a de nombreuses idées en cours, de la lithographie ultraviolette extrême, pour réduire la taille des transistors en silicium, au développement de lasers, de modulateurs et de détecteurs en silicium, dans lesquels des faisceaux de lumière au lieu de fils de cuivre pourraient être utilisés pour transmettre des données dans une puce. (voir la percée d'Intel). Ne vous attendez pas à des [semiconducteurs composés] dans un produit demain, dit Gargini. Mais c'est en préparation.
Image de la page d'accueil avec l'aimable autorisation de Jesus del Alamo, ingénieur électricien, département de génie électrique et informatique, MIT. Légende : Puce avec transistors et structures de test en semi-conducteur composé d'arséniure de gallium et d'indium (InGaAs). La puce est utilisée pour diagnostiquer les opérations de l'appareil.