Circuits de téléphone portable plus rapides

Les chercheurs d'IBM ont fabriqué les circuits intégrés les plus rapides à ce jour à partir de graphène, un matériau qui promet des composants beaucoup plus rapides que ne le permet le silicium, mais avec lequel il s'est avéré difficile de travailler.

Circuit graphène : Celui-ci intègre un transistor en graphène (à l'intérieur de la boîte rouge) avec deux autres éléments, appelés inducteurs, sur une seule puce. Les dispositifs noirs sur les côtés et en haut de l'image sont des sondes électriques.

L'équipe a montré que le graphène pouvait être utilisé pour créer des versions plus rapides et plus économes en énergie des circuits qui traitent et génèrent des signaux radio dans les téléphones portables et autres appareils sans fil. Ils l'ont fait en utilisant des techniques de fabrication existantes, suggérant que leurs conceptions pourraient être suffisamment abordables pour être commercialisées.

C'est un travail vraiment passionnant et il indique l'avenir imminent de l'électronique au graphène, dit James Tour , professeur de chimie et d'informatique à l'Université Rice à Houston, Texas, qui n'était pas impliqué dans les travaux.

Le graphène, un maillage d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un seul atome, conduit les électrons beaucoup plus rapidement que le silicium. Ses propriétés électroniques sont telles que sa plus grande promesse n'est pas pour les circuits logiques numériques que l'on trouve dans les microprocesseurs, mais pour l'électronique analogique rapide, comme celles fabriquées par l'équipe d'IBM.

Les chercheurs ont démontré pour la première fois les promesses électriques du graphène en 2004, mais les ingénieurs ont depuis eu du mal à construire des circuits de graphène en utilisant la technologie de fabrication existante. Jusqu'à présent, les chercheurs ont fabriqué des transistors au graphène pouvant fonctionner à des vitesses de 300 gigahertz, ce qui signifie qu'ils s'allument et s'éteignent 300 milliards de fois par seconde, trente fois plus vite que les meilleurs transistors au silicium.

Pour fabriquer leurs circuits intégrés, les chercheurs d'IBM ont dû combiner leurs transistors au graphène avec d'autres matériaux, un défi pour deux raisons. Premièrement, lorsque les transistors en graphène sont positionnés trop près de certains métaux, les performances des transistors dégénèrent. Deuxièmement, mettre des transistors au graphène et d'autres éléments sur une seule micropuce est délicat. Aujourd'hui, dans la revue La science , les chercheurs d'IBM présentent des méthodes de fabrication de circuits intégrés de graphène sur des puces uniques à l'aide de méthodes existantes.

Le groupe IBM a fabriqué un type de circuit appelé mélangeur de fréquence, combinant un transistor au graphène et deux dispositifs métalliques appelés inducteurs. Le mélangeur de fréquences est l'un des éléments de base de l'électronique analogique, et des communications sans fil en particulier, explique le chercheur d'IBM Yu-Ming Lin. Ces appareils sont utilisés dans les téléphones portables pour convertir le signal radio utilisé pour transmettre des informations en un autre signal dans une gamme de fréquences que l'oreille humaine peut entendre. Ceci est accompli en mélangeant le signal radio avec un signal de référence.

Auparavant, la combinaison du graphène avec d'autres matériaux a dégradé la vitesse de l'électronique résultante. Le groupe IBM a empêché cela en veillant à ce que d'autres matériaux n'entrent pas en contact avec le graphène de manière nocive. Ils ont fabriqué des réseaux de transistors au graphène à la surface de plaquettes de carbure de silicium recouvertes de graphène. Ils ont ensuite gravé le graphène supplémentaire entourant les transistors, laissant une surface claire sur laquelle les inducteurs métalliques pouvaient plus facilement adhérer. Assurer la séparation entre les transistors en graphène et les inductances métalliques a également empêché la dégradation des propriétés électriques du transistor.

Les circuits résultants fonctionnent à 10 gigahertz, bien plus rapidement que les précédents circuits au graphène. Lin admet qu'ils sont moins fiables que les mélangeurs de fréquence au silicium de pointe, mais dit qu'ils s'attendent à combler cet écart bientôt.

Les chercheurs d'IBM prévoient de les fabriquer à l'échelle de la dizaine plutôt que de la centaine de nanomètres. Ils peuvent facilement être dix fois plus petits, ce qui nous aiderait à battre le record, dit Lin. Nous n'avons pas vu les limites des appareils au graphène en termes de vitesse - nous pensons qu'ils peuvent atteindre la plage térahertz.

La prochaine étape consiste à améliorer la fiabilité des circuits, dit Xiangfeng Duan , professeur de chimie à l'Université de Californie à Los Angeles. Le signal sort plus faible à l'autre extrémité, note-t-il. L'amélioration des transistors aidera à obtenir de meilleures performances de circuit.

Le groupe IBM travaille sur ce problème, et développe des circuits intégrés de graphène plus complexes. Lin dit que la méthode utilisée pour les circuits mélangeurs de fréquence fonctionnera pour d'autres types de circuits. C'est le premier pas vers un nouveau niveau de potentiel, dit-il. Peut-être que nous ne verrons pas le véritable impact du graphène avant cinq à dix ans.

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