Transistors au graphène pouvant fonctionner à des vitesses fulgurantes

IBM a créé des transistors au graphène qui laissent ceux en silicium dans la poussière. Les prototypes de dispositifs, fabriqués à partir de feuilles de carbone de l'épaisseur d'un atome, fonctionnent à 100 gigahertz, ce qui signifie qu'ils peuvent s'allumer et s'éteindre 100 milliards de fois par seconde, environ 10 fois plus vite que les transistors au silicium les plus rapides.

Commutateurs rapides : Ces réseaux de transistors, imprimés sur une plaquette de carbure de silicium, fonctionnent à des vitesses de 100 gigahertz.

Les transistors ont été créés à l'aide de processus compatibles avec la fabrication de semi-conducteurs existante, et les experts disent qu'ils pourraient être mis à l'échelle pour produire des transistors pour les appareils d'imagerie, de radar et de communication haute performance au cours des prochaines années, et pour les processeurs informatiques rapides dans une décennie. ou alors.

Les chercheurs ont déjà fabriqué des transistors au graphène en utilisant des méthodes mécaniques laborieuses, par exemple en écaillant des feuilles de graphène à partir de graphite ; les transistors les plus rapides fabriqués de cette manière ont atteint des vitesses allant jusqu'à 26 gigahertz. Les transistors fabriqués à l'aide de méthodes similaires n'ont pas égalé ces vitesses.

La croissance des transistors sur une plaquette conduit non seulement à de meilleures performances, mais est également plus réalisable commercialement, dit Phaédon Avoris , chef du groupe de science et technologie à l'échelle nanométrique au IBM Watson Research Center à Ossining, NY, où le travail a été effectué.

En fin de compte, le graphène a le potentiel de remplacer le silicium dans les processeurs informatiques à grande vitesse. À mesure que les ordinateurs deviennent plus rapides chaque année, le silicium se rapproche de plus en plus de ses limites physiques, et le graphène constitue un remplacement potentiel prometteur car les électrons se déplacent à travers le matériau beaucoup plus rapidement qu'ils ne le font à travers le silicium. Même sans optimiser la conception, ces transistors sont déjà 2,5 fois meilleurs que le silicium, selon Yu-Ming Lin , un autre chercheur d'IBM Watson qui a collaboré avec Avouris.

D'autres chercheurs ont fabriqué des transistors très rapides en utilisant des matériaux semi-conducteurs coûteux tels que le phosphure d'indium, mais ces dispositifs ne fonctionnent qu'à basse température. En théorie, le graphène possède les propriétés matérielles nécessaires pour permettre aux transistors de fonctionner à des vitesses térahertz à température ambiante.

Les chercheurs d'IBM ont fait pousser du graphène à la surface d'une plaquette de carbure de silicium de deux pouces. Le processus commence lorsqu'ils chauffent la plaquette jusqu'à ce que le silicium s'évapore, laissant derrière lui une fine couche de carbone, connue sous le nom de graphène épitaxié. Cette technique a déjà été utilisée pour fabriquer des transistors, mais l'équipe d'IBM a amélioré le processus en utilisant de meilleurs matériaux pour les autres parties du transistor, en particulier l'isolant.

Les propriétés du graphène sont très sensibles à son environnement, explique Lin. C'est pourquoi le groupe IBM s'est concentré sur la conception d'une nouvelle couche isolante, la partie du transistor qui empêche les courts-circuits. Ils ont découvert que l'ajout d'une fine couche de polymère entre le diélectrique et le graphène améliorait les performances. Le travail est décrit cette semaine dans le journal La science .

Walter de Heer , professeur de physique à Georgia Tech à Atlanta qui a été le pionnier des méthodes utilisées pour travailler avec le graphène épitaxié, déclare que l'appareil IBM est une étape importante en raison de sa vitesse et parce qu'il a été fabriqué à l'aide de techniques de fabrication pratiques. Ce n'est pas du gâteau, c'est réel, dit-il. Ce développement va vraiment se transformer en un dispositif de communication dans peu de temps.

On peut appliquer les mêmes technologies de traitement pour se rapprocher beaucoup plus d'un produit, dit Avouris. L'an dernier, le même groupe IBM, et un groupe indépendant à Laboratoires HRL à Malibu, en Californie, tous deux ont fabriqué des transistors au graphène de 10 gigahertz en utilisant une méthode complexe appelée exfoliation mécanique. Ce processus consiste à décoller les couches d'un petit morceau de graphite jusqu'à ce qu'il ne reste qu'une seule feuille d'épaisseur atomique, puis à la déposer sur un substrat et à la sculpter pour former un transistor. Le problème avec cette approche est qu'elle compromet les propriétés électriques du graphène et n'est pas commercialement évolutive, explique Avouris.

Les premières applications des transistors au graphène seront probablement en tant que commutateurs et amplificateurs dans l'électronique militaire analogique. En effet, les travaux du groupe IBM sont soutenus en partie par la Defense Advanced Research Projects Agency. Mais les chercheurs disent qu'il faudra des années avant que la société ne commence le développement commercial de l'électronique au carbone.

De Heer note que les appareils IBM ne réalisent pas encore tout le potentiel du graphène. En contrôlant soigneusement les conditions de croissance, son groupe a fabriqué du graphène qui conduit les électrons 10 fois plus vite que le matériau utilisé par l'équipe d'IBM. Ce graphène de meilleure qualité pourrait, en théorie, être utilisé pour fabriquer des transistors qui atteignent des vitesses térahertz, bien que de Heer affirme que beaucoup de choses pourraient mal se passer lors de la mise à l'échelle.

Avouris dit que l'équipe d'IBM s'efforcera d'améliorer la vitesse de ses transistors en les miniaturisant. Ceux qu'il a fabriqués jusqu'à présent mesurent 240 nanomètres de long, ce qui est relativement gros – les composants électroniques en silicium mesurent environ 20 nanomètres. Avouris pense également que leurs performances pourraient être améliorées en amincissant la couche isolante. La prochaine étape consiste à essayer d'intégrer ces transistors dans un circuit vraiment opérationnel, dit-il.

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