Le long au revoir de Silicon

Au cours des prochaines décennies, les fabricants de puces ne seront plus en mesure de fabriquer des puces de silicium plus rapidement en emballant des transistors plus petits sur une puce. C'est parce que les transistors au silicium seront tout simplement trop fuyants et coûteux pour être plus petits.

Nanorubans : Des bandes d'arséniure d'indium ont été gravées chimiquement afin qu'elles se libèrent de la surface en dessous. Ils peuvent ensuite être transférés sur des plaquettes de silicium pour fabriquer des transistors rapides et de faible puissance.

Les personnes travaillant sur des matériaux qui pourraient succéder au silicium doivent relever de nombreux défis. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley ont trouvé un moyen de surmonter l'un de ces obstacles : ils ont développé un moyen fiable de fabriquer des transistors nanoscopiques rapides et de faible puissance à partir d'un matériau semi-conducteur composé. Leur méthode est plus simple, et promet d'être moins chère, que celles existantes.

Les semi-conducteurs composés ont de meilleures propriétés électriques que le silicium, ce qui signifie que les transistors qui en sont composés nécessitent moins d'énergie pour fonctionner à des vitesses plus rapides. Ces matériaux se trouvent déjà dans certaines applications de niche coûteuses telles que les équipements de télécommunications militaires, ce qui leur donne une longueur d'avance sur des remplacements potentiels plus exotiques du silicium comme le graphène et les nanotubes de carbone.

Mais les plaquettes de matériaux semi-conducteurs composés sont également très fragiles et chères, ce qui n'est acceptable que là où le coût n'a pas d'importance, dit Ali Javey , professeur agrégé de génie électrique et d'informatique à l'Université de Californie à Berkeley. Les semi-conducteurs composés sont sur le marché dans des puces de communication coûteuses pour l'armée, par exemple.

Les chercheurs pensent qu'ils peuvent surmonter cette fragilité et ces dépenses en développant des transistors composés-semi-conducteurs sur une plaquette de silicium de support, une astuce qui devrait être compatible avec l'infrastructure de fabrication existante.

Cependant, les semi-conducteurs composés ne peuvent pas être développés sur du silicium - il y a un décalage entre les structures cristallines des deux matériaux qui rend cela difficile à bien faire. Le groupe de Berkeley a maintenant montré que des transistors fabriqués à partir de semi-conducteurs composés peuvent être développés sur une autre surface puis transférés sur une plaquette de silicium. C'est une voie plausible pour faire face au fait que les semi-conducteurs composés sont difficiles à cultiver, dit Jésus de l'Alamo , professeur de génie électrique et d'informatique au MIT qui n'était pas impliqué dans les travaux de Javey.

Les chercheurs de Berkeley ont démontré leur technique à l'aide d'arséniure d'indium. Ils font pousser le matériau au-dessus d'une plaquette d'antimonure de gallium protégée par une couche supérieure sacrificielle d'antimoniure d'aluminium et de gallium. La plaquette permet la croissance d'un film d'arséniure d'indium cristallin de haute qualité, et la couche sacrificielle peut ensuite être gravée chimiquement, libérant des bandes d'arséniure d'indium nanométriques. Les chercheurs ramassent les nanorubans avec un tampon en caoutchouc et les placent sur la plaquette de silicium. Le silicium fournit un support structurel à l'arséniure d'indium. Il est recouvert de dioxyde de silicium, qui agira comme isolant dans les transistors. Les transistors sont complétés par la pose de grilles métalliques pour faire entrer et sortir l'électricité.

Le groupe de Javey décrit les performances des transistors indium-arséniure fabriqués de cette manière dans un article publié en ligne la semaine dernière dans le journal La nature . Les transistors, qui mesurent 500 nanomètres de long, fonctionnent aussi bien que les transistors composés-semi-conducteurs fabriqués à l'aide de techniques plus complexes, explique Javey. Et les transistors indium-arséniure du groupe de Berkeley sont beaucoup plus rapides que leurs équivalents au silicium, tout en nécessitant moins d'énergie : un demi-volt contre 3,3 volts. Leur transconductance, c'est-à-dire leur réactivité aux changements de tension, est huit fois meilleure que celle d'un transistor au silicium de cette taille. Compte tenu de la façon dont ces appareils ont été préparés, cette performance est assez impressionnante, déclare le professeur de génie électrique du MIT Dmitri Antoniadis .

Javey note que le processus requis pour fabriquer les transistors à l'arséniure d'indium est similaire à celui utilisé pour fabriquer une classe de puces appelées électroniques au silicium sur isolant (SOI), qui nécessitent qu'une tranche de silicium soit placée sur une plaquette d'un autre matériau. lors de la fabrication. Pour cette raison, il les a nommés XOI - tout ce qui est sur l'isolant.

Le processus de fabrication des dispositifs XOI à l'échelle d'une plaquette serait plus complexe que le SOI, car il pourrait nécessiter l'intégration de plusieurs types de matériaux différents construits sur des plaquettes de différentes tailles, explique Michael Mayberry , directeur de la recherche sur les composants chez Intel. Il existe de nombreuses façons dont le processus peut mal tourner, dit-il. Au cours des trois dernières années, Intel a travaillé sur des processus de croissance directe de semi-conducteurs composés sur des plaquettes de silicium, en faisant croître une couche tampon entre elles. Jusqu'à présent, ils doivent utiliser un tampon très épais qui entrave les performances des transistors, mais Mayberry dit qu'ils ont prouvé que le concept peut fonctionner.

La valeur du travail de Javey, selon Mayberry, est qu'il démontre que les transistors indium-arséniure fonctionnent bien lorsqu'ils sont réduits à l'échelle nanométrique. Nous ne savons pas comment ces appareils se comporteront, dit-il. Les théoriciens ont fait des suppositions, dit-il, mais à l'échelle nanométrique, des effets quantiques inattendus peuvent survenir.

Javey prévoit de rendre les transistors beaucoup plus petits et de voir s'ils maintiennent leurs performances. Del Alamo et Antoniadis du MIT tentent de déterminer la mise à l'échelle ultime des transistors à semi-conducteurs composés ; la paire a fabriqué des transistors de 30 nanomètres de long. J'aimerais voir quelle perfection des matériaux peut être atteinte à petite échelle, dit Antoniadis.

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