Des transistors innovants pour les puces quantiques

Une nouvelle technologie de transistor ne nécessite pas de dopage des semi-conducteurs, ce qui offre des avantages décisifs pour le contrôle et la lecture des puces quantiques.

Plus les composants électroniques sont petits, plus leur fabrication est complexe. Cela pose un problème majeur à l’industrie des puces depuis des années. À l’université technique de Vienne, des chercheurs ont réussi pour la première fois à fabriquer un transistor en silicium-germanium (SiGe) en utilisant une approche alternative qui permettra non seulement d’obtenir des dimensions plus petites à l’avenir, mais qui sera également plus rapide, consommera moins d’énergie et fonctionnera à des températures extrêmement basses, ce qui est important pour les puces quantiques.

L’astuce réside dans la couche d’oxyde qui isole le semi-conducteur : elle est dopée et produit un effet à longue portée qui s’étend dans le semi-conducteur. Cette technologie a été développée par l’Université technique de Vienne (TU Wien), l’Université Johannes Kepler de Linz (JKU Linz) et l’Université des mines de Freiberg (Bergakademie Freiberg).

Dopage : contamination par conception

Les composants électroniques précédents étaient basés sur des matériaux semi-conducteurs dopés. Des éléments tels que le silicium ou le germanium étaient utilisés, puis une petite quantité d’atomes étrangers était ajoutée de manière ciblée. Au lieu d’un cristal pur et régulier, on obtenait un cristal dans lequel des atomes étrangers étaient déposés à des endroits aléatoires. Cela modifie complètement les propriétés électroniques du matériau : la présence d’atomes étrangers, appelée « dopage », altère la mobilité des particules chargées électriquement et donc la conductivité électrique du matériau. Ce processus, qui a été continuellement optimisé au fil des décennies, est l’un des piliers de la microélectronique moderne.

« Cependant, avec des composants de l’ordre du nanomètre, cette méthode atteint de plus en plus ses limites », indique Andreas Fuchsberger, auteur principal de la nouvelle étude de l’Institut d’électronique des solides de l’Université technique de Vienne. « Plus le transistor est petit, plus l’effet des fluctuations aléatoires du dopage est important. La microélectronique reposant sur l’interconnexion de plusieurs millions à plusieurs milliards de transistors, cela pose des défis de plus en plus importants. »

La sensibilité à la température devient également un problème : les composants électroniques ne doivent pas devenir trop chauds, mais des températures excessivement froides sont également néfastes, car les porteurs de charge ne peuvent plus se déplacer suffisamment bien. Cela est critique dans les applications informatiques quantiques, par exemple, où les bits quantiques, qui doivent souvent être refroidis à une température proche du zéro absolu, doivent être combinés avec des transistors électroniques classiques pour les contrôler et les lire, qui deviennent alors également très froids.

Cristal propre recouvert d’une couche d’oxyde dopé

« Notre solution à ces problèmes est une nouvelle forme de dopage, connue sous le nom de dopage par modulation d’accepteur. Il s’agit d’ajuster les propriétés du semi-conducteur par couplage à distance », ajoute le professeur Walter Weber, qui dirige le groupe de recherche sur les composants nanoélectroniques à l’Université technique de Vienne. Au lieu de doper les cristaux semi-conducteurs eux-mêmes, c’est la couche d’oxyde qui isole le matériau semi-conducteur qui est dopée. « Cela permet à la couche d’oxyde d’améliorer la conductivité du semi-conducteur sans avoir à incorporer d’atomes étrangers dans le cristal lui-même », précise t-il. Tout comme un aimant peut agir à travers d’autres matériaux, une modification de la couche d’oxyde peut également avoir un effet à distance sur le matériau semi-conducteur, même si ce matériau n’est pas dopé lui-même.

Des expériences avec ce dopage par modulation de l’accepteur (MAD) ont déjà été menées dans des semi-conducteurs composés dits du groupe III-V et dans le silicium. Le groupe de recherche de l’Université technique de Vienne, en coopération avec la Bergakademie Freiberg et l’Université Johannes Kepler de Linz, est le premier à avoir démontré avec succès cet effet sur le silicium-germanium, un semi-conducteur important, et à avoir produit de cette manière un transistor SiGe fonctionnel.

Cela revêt une importance particulière pour l’industrie, car des efforts sont actuellement déployés pour augmenter continuellement la teneur en Ge des transistors afin d’obtenir des temps de commutation plus rapides et une consommation d’énergie moindre. Dans les puces quantiques, les informations quantiques pourraient également être traitées plus rapidement et avec moins de pertes d’énergie. Les résultats des mesures sont extrêmement prometteurs : « Nous avons pu montrer que la technologie MAD présente une conductivité plus de 4 000 fois supérieure, un meilleur comportement à la mise sous tension et une consommation d’énergie réduite », commente le Dr Masiar Sistani. « Cela pourrait ouvrir la voie à une nouvelle génération de nanotransistors polyvalents. »

Adaptée aux puces quantiques

La nouvelle technologie est également particulièrement intéressante pour les puces quantiques : « Les technologies quantiques prennent de plus en plus d’importance. Cependant, elles nécessitent encore l’utilisation d’électronique classique, par exemple pour contrôler ou lire les systèmes quantiques. Cela signifie que les transistors conventionnels doivent fonctionner à proximité immédiate de composants quantiques ultra-froids », indique le Dr Sistani. « C’est là que la technologie de dopage conventionnelle échoue souvent – on parle alors de « gel » des porteurs de charge. Notre technologie contourne ces problèmes. Le dopage de la couche d’oxyde reste efficace même à des températures extrêmement basses. »

Les résultats ont été publiés dans la célèbre revue IEEE Electron Device Letters et sélectionnés comme « Editor’s Pick » en couverture du numéro d’août.

A. Fuchsberger et al., « Modulation-Acceptor-Doped SiGe Schottky Barrier Field-Effect Transistors » ,IEEE Electron Device Letters 46/8 (2025). DOI : 10.1109/LED.2025.3577243

Source : TU Wien