Des chercheurs repensent le transistor au niveau matériel

Les transistors atteignent leurs limites physiques en taille et en vitesse. Au fur et à mesure que les transistors sont rendus plus petits, la distance entre la source et le drain diminue, entraînant des courants de fuite élevés. Et comme la taille du transistor se rapproche du niveau atomique, il est difficile de contrôler le flux de courant, ce qui entraîne une probabilité plus élevée d'erreurs de calcul.

Des transistors plus petits signifient des vitesses de commutation plus lentes, ce qui est particulièrement problématique dans les nouvelles applications comme l'intelligence artificielle, où des ensembles de données massifs doivent être traités. Une intégration plus dense devient également un défi en raison des problèmes d'empilement et de gestion thermique.

Cet article traite des récents développements de la recherche qui repoussent les limites des technologies de transistors existantes et comment ils peuvent surpasser les dispositifs actuels.

Les transistors actuels sont encombrants et ne peuvent pas être facilement empilés verticalement pour une haute densité. Pour une telle intégration, les transistors doivent être constitués de matériaux 2D ultrafins, qui ne font que quelques atomes d'épaisseur. Cependant, la croissance de matériaux 2D sur une plaquette de silicium est difficile car elle nécessite généralement une température d'environ 600 °C et les circuits ne peuvent supporter que jusqu'à 400 °C.

Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont développé un processus à basse température pour faire croître des matériaux 2D sur puce sans les endommager. Le nouveau processus réduit le temps nécessaire pour créer les matériaux 2D et crée une couche uniforme sur toute la surface. En conséquence, le nouveau procédé peut être utilisé pour des surfaces plus grandes que les procédés conventionnels.

Les chercheurs du MIT se sont concentrés sur le disulfure de molybdène, un matériau transparent et flexible aux propriétés électroniques et photoniques, pour démontrer et valider leur nouveau procédé. Leur processus est placé dans un four à deux chambres : une région à basse température à l'avant et une région à haute température à l'arrière. La plaquette est placée devant afin qu'elle reste intacte. Les précurseurs de molybdène et de soufre vaporisés sont pompés dans le four. Le molybdène reste à l'avant et le précurseur de soufre s'écoule dans la région à haute température pour se décomposer. Après décomposition, il retourne dans la chambre à basse température, où le bisulfure de molybdène se développe.

Les chercheurs ont placé la plaquette verticalement dans la chambre avant afin qu'aucun des bords ne soit trop proche de la région à haute température. Ils ont également déposé une fine couche de matériau de passivation sur le dessus de la puce pour empêcher la sulfuration de métaux comme l'aluminium et le cuivre, couramment utilisés dans les circuits au silicium pour connecter un boîtier ou un support. La couche de passivation est ensuite retirée pour établir des connexions. Les chercheurs prévoient d'affiner leur technique et d'explorer l'application de ce processus pour des surfaces flexibles comme les polymères, les textiles et les papiers.

Les chercheurs du Forschungszentrum Jülich ont exploré des matériaux aux propriétés électroniques plus favorables que le silicium pour des circuits plus performants. Ils ont récemment fabriqué un alliage germanium-étain qui présente de nombreux avantages par rapport aux transistors en silicium conventionnels.

Le germanium présente une mobilité électronique plus élevée que le silicium. Les chercheurs ont ajouté des atomes d'étain dans le réseau de germanium pour optimiser davantage les propriétés électroniques du matériau. La mobilité électronique du nouvel alliage est 2,5 fois supérieure à celle des transistors en germanium pur et est compatible avec le processus de fabrication CMOS actuel.

Les nouveaux transistors fonctionnent à des températures allant jusqu'à 12 Kelvin, une amélioration importante par rapport aux transistors existants qui nécessitent une haute tension pour commuter à des températures inférieures à 50 Kelvin, consommant ainsi plus d'énergie. Les scientifiques affirment qu'avec d'autres améliorations, leur alliage pourrait même permettre aux transistors de fonctionner à des températures inférieures à 12 Kelvin. L'équipe pense que leur technologie est un candidat prometteur pour les puces hautes performances à faible consommation d'énergie de nouvelle génération et peut-être pour l'avenir des ordinateurs quantiques.

Des chercheurs de l'Université de Linköping et du KTH Royal Institute of Technology ont créé un transistor en bois. Ils ont utilisé du bois de balsa, un bois sans grain et de structure uniforme, pour cette application. Ils ont retiré la lignine, ne laissant que des fibres de cellulose avec des canaux, qui ont ensuite été remplis d'un polymère conducteur appelé PEDOT:PSS.

L'équipe a découvert que leur appareil régulait le courant électrique et offrait un fonctionnement continu à un niveau de sortie sélectionné. Cependant, le temps de commutation était très long. Il a fallu environ une seconde pour s'éteindre et cinq secondes pour s'allumer.

Selon les chercheurs, ces transistors organiques peuvent être utilisés pour des applications de forte puissance car ils peuvent supporter des courants élevés. Bien que l'équipe n'ait pas créé cet appareil pour une application spécifique, ils espèrent que leurs recherches ouvriront la voie à l'électronique organique future.