Les transistors en silicium, qui sont utilisés pour amplifier et commuter des signaux, sont un composant essentiel de la plupart des appareils électroniques, des smartphones aux automobiles. Mais la technologie des semi-conducteurs en silicium est freinée par une limite physique fondamentale qui empêche les transistors de fonctionner en dessous d’une certaine tension.
Cette limite, connue sous le nom de « tyrannie de Boltzmann », entrave l’efficacité énergétique des ordinateurs et autres appareils électroniques, en particulier avec le développement rapide des technologies d’intelligence artificielle qui exigent des calculs plus rapides.
Afin de surmonter cette limite fondamentale du silicium, les chercheurs du MIT ont fabriqué un nouveau type de transistor tridimensionnel en utilisant un ensemble unique de matériaux semi-conducteurs ultraminces.
Leurs dispositifs, qui comportent des nanofils verticaux d’une largeur de quelques nanomètres seulement, peuvent offrir des performances comparables à celles des transistors en silicium les plus modernes, tout en fonctionnant efficacement à des tensions bien inférieures à celles des dispositifs conventionnels.
« Il s’agit d’une technologie susceptible de remplacer le silicium, qui pourrait donc être utilisée pour toutes les fonctions actuelles du silicium, mais avec une efficacité énergétique bien meilleure », explique Yanjie Shao, postdoc au MIT et auteur principal d’un article sur les nouveaux transistors.
Les transistors exploitent les propriétés de la mécanique quantique pour obtenir simultanément un fonctionnement à basse tension et des performances élevées sur une surface de quelques nanomètres carrés seulement. Leur taille extrêmement réduite permettrait de placer un plus grand nombre de ces transistors 3D sur une puce d’ordinateur, ce qui donnerait naissance à des composants électroniques rapides et puissants, mais aussi plus économes en énergie.
« Avec la physique conventionnelle, il y a une limite à ce que l’on peut faire. Les travaux de Yanjie montrent que nous pouvons faire mieux, mais nous devons utiliser une physique différente. De nombreux défis doivent encore être relevés pour que cette approche soit commercialisée à l’avenir, mais sur le plan conceptuel, il s’agit vraiment d’une percée », déclare l’auteur principal Jesús del Alamo, professeur d’ingénierie Donner au département d’ingénierie électrique et d’informatique (EECS) du MIT.
Ils sont rejoints dans cet article par Ju Li, professeur d’ingénierie nucléaire à la Tokyo Electric Power Company et professeur de science et d’ingénierie des matériaux au MIT, par Hao Tang, étudiant diplômé en EECS, par Baoming Wang, post-doctorant au MIT, et par les professeurs Marco Pala et David Esseni de l’université d’Udine, en Italie. La recherche est publiée aujourd’hui dans Nature Electronics.
Dépasser le silicium
Dans les appareils électroniques, les transistors en silicium fonctionnent souvent comme des interrupteurs. L’application d’une tension au transistor fait passer les électrons d’un côté à l’autre d’une barrière énergétique, ce qui fait passer le transistor de l’état « éteint » à l’état « 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 entre la position « arrêt » et la position « marche ». Plus la pente est forte, moins il faut de tension pour allumer le transistor et plus son efficacité énergétique est grande.
Mais en raison de la manière dont les électrons se déplacent à travers une barrière énergétique, la tyrannie de Boltzmann exige une certaine tension minimale pour commuter le transistor à température ambiante.
Pour surmonter la limite physique du silicium, les chercheurs du MIT ont utilisé un ensemble différent de matériaux semi-conducteurs – l’antimoniure de gallium et l’arséniure d’indium – et ont conçu leurs dispositifs de manière à tirer parti d’un phénomène unique de la mécanique quantique appelé « effet tunnel quantique ».
L’effet tunnel quantique est la capacité des électrons à franchir des barrières. Les chercheurs ont fabriqué des transistors à effet tunnel, qui exploitent cette propriété pour encourager les électrons à franchir la barrière énergétique plutôt que de la traverser.
« Il est désormais possible d’allumer et d’éteindre le dispositif très facilement », explique M. Shao.
Mais si les transistors à effet tunnel peuvent permettre de fortes pentes de commutation, ils fonctionnent généralement avec un faible courant, ce qui entrave les performances d’un dispositif électronique. Un courant plus élevé est nécessaire pour créer des commutateurs à transistors puissants destinés à des applications exigeantes.
Une fabrication fine
En utilisant les outils de 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 des hétérostructures de nanofils verticaux d’un diamètre de seulement 6 nanomètres. Ils estiment qu’il s’agit des plus petits transistors 3D rapportés à ce jour.
Une ingénierie aussi précise leur a permis d’obtenir simultanément une pente de commutation aiguë et un courant élevé. Cela 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. Dans ce cas, la masse effective de l’électron et les propriétés du matériau changent, ce qui permet à l’électron de traverser une barrière par effet tunnel.
Les transistors étant très petits, les chercheurs peuvent obtenir un effet de confinement quantique très fort tout en fabriquant une barrière extrêmement fine.
« Nous disposons d’une grande souplesse dans la conception de ces hétérostructures matérielles afin d’obtenir une barrière à effet tunnel très fine, ce qui nous permet d’obtenir un courant très élevé », explique M. Shao.
La fabrication précise de dispositifs suffisamment petits pour y parvenir a constitué un défi majeur.
« Nous sommes vraiment dans des dimensions de l’ordre du nanomètre 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 qui fonctionnent si bien et qui sont si petits », explique M. 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 classiques en silicium. Leurs dispositifs sont également 20 fois plus performants que des transistors à effet tunnel similaires.
« C’est la première fois que nous parvenons à obtenir une pente de commutation aussi nette avec cette conception », ajoute M. Shao.
Les chercheurs s’efforcent à présent d’améliorer leurs méthodes de fabrication afin de rendre les transistors plus uniformes sur l’ensemble d’une puce. Avec des dispositifs aussi petits, même un écart d’un nanomètre peut modifier le comportement des électrons et affecter le fonctionnement du dispositif. Les chercheurs étudient 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 de manière significative les performances des transistors à effet de champ à effet tunnel (TFET) à espacement brisé. Il démontre une pente raide ainsi qu’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 espacement brisé fabriqué. Ces caractéristiques ont été obtenues grâce à un processus bien maîtrisé et contrôlé à l’échelle du nanomètre », explique Aryan Afzalian, membre principal du personnel technique de l’organisme de recherche en nanoélectronique imec, qui n’a pas participé à ces travaux.
Cette recherche est financée en partie par Intel Corporation.
Légende illustration :Les transistors 3D à l’échelle nanométrique fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs ultraminces peuvent fonctionner plus efficacement que les dispositifs à base de silicium, en tirant parti des propriétés de la mécanique quantique pour permettre des applications d’intelligence artificielle à très faible consommation d’énergie.
Article : « Scaled vertical-nanowire heterojunction tunnelling transistors with extreme quantum confinement » – DOI: s41928-024-01279-w
