Les chercheurs utilisent de nouveaux matériaux pour construire le plus petit transistor doté d’une grille de nanotubes de carbone de 1 nanomètre

Depuis plus d’une décennie, les ingénieurs visent la ligne d’arrivée dans la course à la réduction de la taille des composants des circuits intégrés. Ils savaient que les lois de la physique avaient fixé un seuil de 5 nanomètres pour la taille des grilles des transistors parmi les semi-conducteurs conventionnels, soit environ un quart de la taille des transistors haut de gamme de 20 nanomètres actuellement sur le marché.

 

Certaines lois sont faites pour être enfreintes, ou du moins contestées.

C'est exactement ce qu'a fait une équipe de recherche dirigée par le scientifique Ali Javey du laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie (Berkeley Lab) en créant un transistor doté d'une grille fonctionnelle de 1 nanomètre. À titre de comparaison, une mèche de cheveux humains a une épaisseur d’environ 50 000 nanomètres.

"Nous avons fabriqué le plus petit transistor signalé à ce jour", a déclaré Javey, chercheur principal du programme Matériaux électroniques de la division Science des matériaux du laboratoire de Berkeley. « La longueur de grille est considérée comme une dimension déterminante du transistor. Nous avons fait la démonstration d’un transistor à grille de 1 nanomètre, démontrant qu’avec le choix de matériaux appropriés, il y a beaucoup plus de place pour réduire notre électronique.

La clé était d'utiliser des nanotubes de carbone et du bisulfure de molybdène (MoS₂), un lubrifiant moteur couramment vendu dans les magasins de pièces automobiles. MoS₂ fait partie d'une famille de matériaux présentant un immense potentiel d'application dans les LED, les lasers, les transistors à l'échelle nanométrique, les cellules solaires, etc.

Les résultats paraîtront dans le numéro du 7 octobre de la revue Science. Parmi les autres chercheurs participant à cet article figurent Jeff Bokor, chercheur principal au Berkeley Lab et professeur à l'UC Berkeley ; Chenming Hu, professeur à l'UC Berkeley ; Moon Kim, professeur à l'Université du Texas à Dallas ; et HS Philip Wong, professeur à l'Université de Stanford.

Ce développement pourrait être essentiel pour maintenir en vie la prédiction du co-fondateur d'Intel, Gordon Moore, selon laquelle la densité des transistors sur circuits intégrés doublerait tous les deux ans, permettant ainsi d’augmenter les performances de nos ordinateurs portables, téléphones portables, téléviseurs et autres appareils électroniques.

"L'industrie des semi-conducteurs a longtemps supposé que toute porte en dessous de 5 nanomètres ne fonctionnerait pas, donc tout ce qui était en dessous n'a même pas été pris en compte", a déclaré l'auteur principal de l'étude, Sujay Desai, étudiant diplômé du laboratoire de Javey. «Cette recherche montre que les particules inférieures à 5 nanomètres portes ne doit pas être écarté. L’industrie a exploité toutes les capacités du silicium. En remplaçant le silicium par du MoS2, nous pouvons fabriquer un transistor avec une grille de seulement 1 nanomètre de long et le faire fonctionner comme un interrupteur.

Quand « les électrons sont hors de contrôle »

Les transistors sont constitués de trois bornes : une source, un drain et une grille. Le courant circule de la source vers le drain, et ce flux est contrôlé par la grille, qui s'allume et s'éteint en réponse à la tension appliquée.

Le silicium et le MoS2 ont tous deux une structure de réseau cristallin, mais les électrons circulant à travers le silicium sont plus légers et rencontrent moins de résistance que ceux du MoS2. C'est une aubaine lorsque la porte mesure 5 nanomètres ou plus. Mais en dessous de cette longueur, un phénomène de mécanique quantique appelé effet tunnel se produit, et la barrière de grille n'est plus en mesure d'empêcher les électrons de passer de la source aux bornes de drain.

"Cela signifie que nous ne pouvons pas désactiver les transistors", a déclaré Desai. "Les électrons sont hors de contrôle."

Parce que les électrons circulant à travers MoS₂ sont plus lourds, leur débit peut être contrôlé avec des longueurs de vanne plus petites. MoS₂ peut également être réduit à des feuilles atomiquement minces, d’environ 0,65 nanomètres d’épaisseur, avec une constante diélectrique inférieure, une mesure reflétant la capacité d’un matériau à stocker de l’énergie dans un champ électrique. Ces deux propriétés, en plus de la masse de l’électron, contribuent à améliorer le contrôle du flux de courant à l’intérieur du transistor lorsque la longueur de grille est réduite à 1 nanomètre.

Une fois qu'ils ont opté pour MoS₂ en tant que matériau semi-conducteur, il était temps de construire la porte. Il s’avère que créer une structure de 1 nanomètre n’est pas une mince affaire. Les techniques de lithographie conventionnelles ne fonctionnent pas bien à cette échelle, c'est pourquoi les chercheurs se sont tournés vers les nanotubes de carbone, des tubes cylindriques creux dont le diamètre peut atteindre 1 nanomètre.

Ils ont ensuite mesuré les propriétés électriques des dispositifs pour montrer que le transistor MoS2 doté d’une grille en nanotubes de carbone contrôlait efficacement le flux d’électrons.

"Ce travail a démontré le transistor le plus court jamais réalisé", a déclaré Javey, qui est également professeur de génie électrique et d'informatique à l'UC Berkeley. «Cependant, c'est une preuve de concept. Nous n'avons pas encore intégré ces transistors sur une puce, et nous ne l'avons pas fait des milliards de fois. Nous n'avons pas non plus développé de schémas de fabrication auto-alignés pour réduire les résistances parasites dans le dispositif. Mais ces travaux sont importants pour montrer que nous ne sommes plus limités à une grille de 5 nanomètres pour nos transistors. La loi de Moore peut perdurer encore un peu grâce à une ingénierie appropriée du matériau semi-conducteur et de l'architecture du dispositif.