Les transistors en silicium, essentiels pour amplifier et commuter les signaux, sont des composants clés dans la plupart des appareils électroniques, allant des smartphones aux voitures. Cependant, la technologie des semi-conducteurs en silicium est limitée par une contrainte physique fondamentale qui empêche les transistors de fonctionner en dessous d’une certaine tension.
Cette contrainte, connue sous le nom de « tyrannie de Boltzmann », limite l’efficacité énergétique des ordinateurs et autres appareils électroniques, surtout avec l’essor rapide des technologies d’intelligence artificielle nécessitant des calculs plus rapides.
Pour dépasser cette limite du silicium, des chercheurs du MIT ont développé un nouveau type de transistor tridimensionnel en utilisant des matériaux semi-conducteurs ultrafins uniques.
Ces dispositifs, composés de nanofils verticaux de quelques nanomètres de large, offrent des performances comparables aux transistors en silicium de pointe tout en fonctionnant efficacement à des tensions bien inférieures à celles des dispositifs conventionnels.
« Cette technologie pourrait remplacer le silicium, permettant d’utiliser toutes ses fonctions actuelles avec une bien meilleure efficacité énergétique », explique Yanjie Shao, postdoctorant au MIT et auteur principal d’un article sur ces nouveaux transistors.
Les transistors exploitent les propriétés de la mécanique quantique pour obtenir un fonctionnement basse tension et des performances élevées sur une surface de quelques nanomètres carrés seulement. Leur taille extrêmement réduite permettrait d’intégrer un plus grand nombre de ces transistors 3D sur une puce informatique, rendant l’électronique plus rapide, puissante et économe en énergie.
« Avec la physique conventionnelle, il y a des limites à ce que l’on peut atteindre. Les travaux de Yanjie montrent que nous pouvons faire mieux, mais en utilisant une physique différente. Il reste des défis pour commercialiser cette approche, mais conceptuellement, c’est une avancée majeure », déclare Jesús del Alamo, professeur d’ingénierie Donner au département de génie électrique et d’informatique du MIT (EECS).
Ils sont rejoints sur l’article par Ju Li, professeur de génie nucléaire à la Tokyo Electric Power Company et professeur de science et d’ingénierie des matériaux au MIT ; Hao Tang, étudiant diplômé de l’EECS ; Baoming Wang, postdoctorant au MIT ; et les professeurs Marco Pala et David Esseni de l’Université d’Udine en Italie. La recherche est publiée aujourd’hui dans Électronique naturelle.
Surpasser le silicium
Dans les appareils électroniques, les transistors au silicium fonctionnent souvent comme des interrupteurs. L’application d’une tension au transistor permet aux électrons de franchir une barrière énergétique, passant ainsi de « arrêt » à « allumé ». En commutant, les transistors représentent des chiffres binaires pour effectuer des calculs.
La pente de commutation d’un transistor reflète la netteté de la transition de « désactivé » à « activé ». Plus la pente est raide, moins il faut de tension pour activer le transistor, augmentant ainsi son efficacité énergétique.
Mais en raison de la manière dont les électrons traversent une barrière énergétique, la tyrannie de Boltzmann impose une tension minimale pour commuter le transistor à température ambiante.
Pour surmonter cette limite physique du silicium, les chercheurs du MIT ont utilisé des matériaux semi-conducteurs différents – antimoniure de gallium et arséniure d’indium – et ont conçu leurs dispositifs pour exploiter un phénomène unique en mécanique quantique appelé tunnel quantique.
L’effet tunnel quantique permet aux électrons de traverser des barrières. Les chercheurs ont fabriqué des transistors à effet tunnel, utilisant cette propriété pour encourager les électrons à traverser la barrière énergétique plutôt que de la franchir.
« Désormais, vous pouvez allumer et éteindre l’appareil très facilement », explique Shao.
Cependant, bien que les transistors tunnel puissent permettre des pentes de commutation abruptes, ils fonctionnent généralement avec un faible courant, ce qui nuit aux performances d’un dispositif électronique. Un courant plus élevé est nécessaire pour créer des commutateurs à transistors puissants pour des applications exigeantes.
Fabrication à grain fin
Grâce aux outils du MIT.nano, l’installation de pointe du MIT pour la recherche à l’échelle nanométrique, les ingénieurs ont pu contrôler soigneusement la géométrie 3D de leurs transistors, créant ainsi des hétérostructures verticales de nanofils d’un diamètre de seulement 6 nanomètres. Ils pensent qu’il s’agit des plus petits transistors 3D signalés à ce jour.
Une ingénierie aussi précise leur a permis d’obtenir simultanément une pente de commutation forte et un courant élevé. Ceci est possible grâce à un phénomène appelé confinement quantique.
Le confinement quantique se produit lorsqu’un électron est confiné dans un espace si petit qu’il ne peut pas se déplacer. Lorsque cela se produit, la masse effective de l’électron et les propriétés du matériau changent, permettant un effet tunnel plus fort de l’électron à travers une barrière.
Les transistors étant si petits, les chercheurs peuvent créer un effet de confinement quantique très puissant tout en fabriquant une barrière extrêmement fine.
« Nous disposons d’une grande flexibilité pour concevoir ces hétérostructures matérielles afin de pouvoir obtenir une barrière tunnel très fine, ce qui nous permet d’obtenir un courant très élevé », explique Shao.
Fabriquer avec précision des appareils suffisamment petits pour y parvenir constituait un défi majeur.
« Nous sommes vraiment dans des dimensions nanométriques avec ce travail. Très peu de groupes dans le monde peuvent fabriquer de bons transistors dans cette gamme. Yanjie est extraordinairement capable de fabriquer des transistors aussi performants et extrêmement petits », explique del Alamo.
Lorsque les chercheurs ont testé leurs dispositifs, la netteté de la pente de commutation était inférieure à la limite fondamentale pouvant être atteinte avec les transistors au silicium conventionnels. Leurs dispositifs ont également fonctionné environ 20 fois mieux que des transistors tunnel similaires.
« C’est la première fois que nous parvenons à obtenir une inclinaison de commutation aussi nette avec cette conception », ajoute Shao.
Les chercheurs s’efforcent désormais d’améliorer leurs méthodes de fabrication afin de rendre les transistors plus uniformes sur l’ensemble d’une puce. Avec des appareils aussi petits, même une variation de 1 nanomètre peut modifier le comportement des électrons et affecter le fonctionnement de l’appareil. Ils explorent également des structures verticales en forme d’ailettes, en plus des transistors verticaux à nanofils, qui pourraient potentiellement améliorer l’uniformité des dispositifs sur une puce.
« Ce travail va définitivement dans la bonne direction, en améliorant considérablement les performances du transistor à effet de champ tunnel (TFET) à intervalle brisé. Il présente une pente raide et un courant d’entraînement record. Il met en évidence l’importance des petites dimensions, du confinement extrême et des matériaux et interfaces à faible défectuosité dans le TFET à espace brisé fabriqué. Ces caractéristiques ont été réalisées grâce à un processus bien maîtrisé et contrôlé à la taille du nanomètre », explique Aryan Afzalian, membre principal du personnel technique de l’organisation de recherche en nanoélectronique imec, qui n’a pas participé à ces travaux.
Cette recherche est financée en partie par Intel Corporation.
