Un minuscule transistor à semi-conducteur composé pourrait remettre en cause la domination du silicium | Emerald Insight

Un minuscule transistor à semi-conducteur composé pourrait remettre en cause la domination du silicium.

Type d'article : Actualités du secteur Source : Microelectronics International, volume 30, numéro 2

Des chercheurs du MIT mettent au point le plus petit transistor à l'arséniure d'indium-gallium jamais construit.

Le règne du silicium est menacé : les jours de ce semi-conducteur en tant que roi des microprocesseurs pour ordinateurs et appareils intelligents pourraient être comptés, grâce au développement du plus petit transistor jamais fabriqué à partir d'un matériau concurrent, l'arséniure d'indium-gallium.

Le transistor composite, conçu par une équipe des Laboratoires de technologie des microsystèmes du MIT, affiche d'excellentes performances malgré sa taille réduite à seulement 22 nm (milliardièmes de mètre). Selon Jesús del Alamo, professeur Donner de sciences au département de génie électrique et d'informatique (EECS) du MIT et co-développeur du transistor, celui-ci représente un candidat prometteur pour remplacer à terme le silicium dans les dispositifs informatiques. Jianqian Lin, doctorant en EECS, et Dimitri Antoniadis, professeur Ray et Maria Stata de génie électrique, ont participé à sa conception.

Pour répondre à la demande croissante d'appareils informatiques toujours plus rapides et performants, la taille des transistors ne cesse de diminuer, permettant ainsi d'en intégrer un nombre toujours plus important sur les microprocesseurs. « Plus on peut intégrer de transistors sur une puce, plus celle-ci sera puissante et plus elle pourra exécuter de fonctions », explique del Alamo.

Mais à mesure que la taille des transistors en silicium diminue à l'échelle nanométrique, l'intensité du courant qu'ils peuvent produire diminue également, ce qui limite leur vitesse de fonctionnement. Cela a suscité des craintes quant à la fin prochaine de la loi de Moore – la prédiction du fondateur d'Intel, Gordon Moore, selon laquelle le nombre de transistors sur les puces double tous les deux ans –, explique del Alamo.

Pour que la loi de Moore perdure, les chercheurs étudient depuis un certain temps des alternatives au silicium, capables de produire un courant plus important même à des échelles réduites. L'un de ces matériaux est l'arséniure d'indium-gallium, déjà utilisé dans les technologies de communication par fibre optique et radar, et reconnu pour ses excellentes propriétés électriques, explique del Alamo. Cependant, malgré les progrès récents dans le traitement de ce matériau permettant de le transformer en transistor de la même manière que le silicium, personne n'est encore parvenu à produire des dispositifs suffisamment petits pour être intégrés en nombre croissant dans les microprocesseurs de demain.

Del Alamo, Antoniadis et Lin ont démontré qu'il est possible de fabriquer un transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) de taille nanométrique – le type le plus couramment utilisé dans les applications logiques telles que les microprocesseurs – à partir de ce matériau. « Nous avons montré qu'il est possible de fabriquer des MOSFET en arséniure de gallium-indium extrêmement petits, dotés d'excellentes caractéristiques logiques, ce qui promet de repousser les limites de la loi de Moore au-delà du silicium », explique del Alamo.

Les transistors sont constitués de trois électrodes : la grille, la source et le drain. La grille contrôle le flux d’électrons entre les deux autres. L’espace étant extrêmement réduit dans ces transistors, les trois électrodes doivent être placées très près les unes des autres, une précision impossible à atteindre même avec des outils sophistiqués. L’équipe a donc opté pour une solution : la grille s’auto-aligne entre les deux autres électrodes.

Les chercheurs commencent par faire croître une fine couche du matériau par épitaxie par jets moléculaires, un procédé largement utilisé dans l'industrie des semi-conducteurs. Ce procédé consiste à faire réagir des atomes d'indium, de gallium et d'arsenic évaporés entre eux sous vide pour former un composé monocristallin. L'équipe dépose ensuite une couche de molybdène qui servira de métal de contact pour la source et le drain. Enfin, elle « dessine » un motif extrêmement fin sur ce substrat à l'aide d'un faisceau d'électrons focalisé – une autre technique de fabrication bien établie appelée lithographie par faisceau d'électrons.

Les zones indésirables sont ensuite éliminées par gravure, puis l'oxyde de grille est déposé dans le minuscule interstice. Enfin, du molybdène évaporé est projeté sur la surface, où il forme la grille, étroitement insérée entre les deux autres électrodes, explique del Alamo. « Grâce à une combinaison de gravure et de dépôt, nous obtenons une grille parfaitement intégrée [entre les électrodes] avec de très petits interstices autour », précise-t-il.

Bien que nombre des techniques employées par l'équipe soient déjà utilisées dans la fabrication de silicium, elles n'ont que rarement servi à la production de transistors à semi-conducteurs composés. Ceci s'explique en partie par le fait que, dans des applications telles que les communications par fibre optique, l'espace est moins contraignant. « Mais lorsqu'il s'agit d'intégrer des milliards de transistors minuscules sur une puce, il est nécessaire de repenser entièrement la technologie de fabrication des transistors à semi-conducteurs composés afin qu'elle se rapproche davantage de celle des transistors en silicium », explique del Alamo.

Leur prochaine étape consistera à améliorer encore les performances électriques – et donc la vitesse – du transistor en éliminant les résistances indésirables au sein du composant. Une fois cet objectif atteint, ils tenteront de miniaturiser davantage le composant, avec pour but ultime de réduire la longueur de grille de leur transistor à moins de 10 nm.

Ces recherches ont été financées par la DARPA et la Semiconductor Research Corporation.