Comment sauver le transistor de graphène en difficulté

L'écriture est sur le mur pour la puce de silicium. Les transistors rétrécissent depuis un demi-siècle, mais ils ne peuvent pas devenir plus petits pour toujours. La plupart des experts de l'industrie pensent que la réduction d'échelle de la technologie des puces de silicium ne peut pas s'étendre bien au-delà de 2026. La grande question, bien sûr, est de savoir ce qui la remplacera.

Une possibilité est le graphène, que diverses équipes du monde entier ont utilisé pour fabriquer des transistors extrêmement rapides. L'année dernière, une équipe a cadencé un transistor au graphène à une fréquence froide de 427 GHz. Vous pourriez donc être pardonné de penser que le graphène est le parfait substitut du silicium.

Pas si vite. Il y a un problème important avec le graphène qui le rend difficile à utiliser dans les transistors - il n'a pas de bande interdite.

Cela signifie qu'il n'y a pas de gamme d'énergie dans le graphène dans laquelle les états électroniques ne peuvent pas exister. Ou en d'autres termes, il est impossible de désactiver le graphène. Et pour un transistor, cela pose de sérieux problèmes.

Aujourd'hui, Guanxiong Liu et ses amis de l'Université de Californie à Riverside disent avoir trouvé un moyen de contourner ce problème qui permet aux transistors au graphène sans bande interdite de fonctionner d'une manière totalement différente des commutateurs conventionnels. Les résultats obtenus présentent un changement conceptuel dans la recherche sur le graphène et indiquent une voie alternative pour les applications du graphène dans le traitement de l'information, disent-ils.

Chaque matériau solide a ses propres bandes d'énergie caractéristiques dans lesquelles les électrons peuvent circuler pour former un conducteur ou sont empêchés de circuler pour former un isolant. Dans un semi-conducteur, les électrons ne peuvent pas circuler à faible énergie et le matériau se comporte donc comme un isolant. Cependant, une quantité relativement faible d'énergie peut pousser les électrons dans la bande dite de conduction où ils circulent librement en formant un conducteur.

La différence d'énergie entre ces états isolants et conducteurs est la bande interdite et la capacité de basculer entre un état et l'autre est la caractéristique déterminante du transistor.

Le problème avec le graphène est qu'il n'a pas de bande interdite ; les électrons peuvent circuler à n'importe quelle énergie. Ainsi, l'objectif principal des ingénieurs du graphène a été de trouver des moyens de créer une bande interdite artificielle en utilisant des méthodes telles que l'application de champs électriques, le dopage avec des atomes ou en étirant et en serrant le matériau.

Ces approches ont rencontré un succès modeste. Les circuits numériques pratiques nécessitent une bande interdite de l'ordre de 1 eV à température ambiante. Mais les meilleurs efforts avec le graphène ont produit des bandes interdites modestes de quelques centaines de meV.

Même alors, cela a coûté très cher. Les meilleurs transistors au graphène sont extrêmement rapides, mais ils dissipent l'énergie comme s'il n'y avait pas de lendemain et laissent passer le courant comme de l'eau à travers un tamis.

Maintenant, Liu et ses collègues ont proposé une approche totalement différente. Nous évitons intentionnellement toute tentative d'induire artificiellement une bande d'énergie, ce qui rendrait le graphène plus semblable au silicium, disent-ils. Au lieu de cela, ils s'appuient sur un phénomène différent appelé résistance négative pour créer un comportement semblable à celui d'un transistor.

La résistance négative est le phénomène contre-intuitif dans lequel un courant entrant dans un matériau fait chuter la tension à ses bornes. Divers groupes, dont celui de Riverside, ont montré que le graphène présente une résistance négative dans certaines circonstances.

Leur idée est de prendre un transistor à effet de champ au graphène standard et de trouver les circonstances dans lesquelles il démontre une résistance négative (ou résistance différentielle négative, comme ils l'appellent). Ils utilisent ensuite le creux de tension, comme une sorte de commutateur, pour effectuer la logique.

En fait, la principale contribution de cet article est de montrer comment plusieurs transistors à effet de champ en graphène peuvent être combinés et manipulés de manière à produire des portes logiques conventionnelles.

Et les résultats sont prometteurs. Liu et co démontrent l'efficacité de leur approche en concevant un circuit à base de graphène qui peut faire correspondre les motifs et montrer qu'il présente plusieurs avantages importants par rapport aux versions à base de silicium.

Pour commencer, Liu et co peuvent construire des portes XOR élémentaires à partir de seulement trois transistors à effet de champ en graphène par rapport aux huit ou plus requis avec du silicium. Cela se traduit par une zone nettement plus petite sur une puce. De plus, les transistors au graphène peuvent fonctionner à des vitesses supérieures à 400 GHz.

Tout cela se traduit par un système qui surpasse considérablement le silicium. Ils disent que les performances sont supérieures de plusieurs ordres de grandeur à celles de tous les circuits à l'échelle signalés ou même projetés.

Bien sûr, quelqu'un devra en fait construire et tester ces appareils pour de vrai avant que cette idée puisse gagner du terrain. Mais l'approche de l'équipe Riverside offre une solution non conventionnelle et créative à un problème qui donne aux ingénieurs graphène des nuits blanches depuis un certain temps.

Il est tout simplement possible que la résistance négative du graphène leur donne le sommeil réparateur dont ils ont tant besoin.

Réf : arxiv.org/abs/1308.2931 : Circuits logiques non booléens à base de graphène

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