L'étirement d'une couche de silicium peut engendrer une contrainte mécanique interne qui peut considérablement améliorer ses propriétés électroniques. Avec du silicium tendu, on peut, par exemple, construire des microprocesseurs plus rapides et moins énergivores.

Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer et de l'ETH Zurich ont mis au point une méthode qui leur permet de produire des fils très tendus de 30 nanomètres d'épaisseur dans une couche de silicium. Cette contrainte est la plus élevée jamais observée dans un matériau pouvant servir de base à des composants électroniques. L'objectif est de produire des transistors hautes performances et de faible puissance pour microprocesseurs à base de tels fils. Comme point de départ, le procédé utilise un substrat avec une couche de silicium qui est déjà sous faible contrainte. En gravant sélectivement le matériau environnant, un fil mince est produit dans la couche de silicium qui pend comme un petit pont au-dessus d'une gorge, avec la contrainte la plus élevée concentrée à son point le plus étroit. Les chercheurs rapportent leurs résultats dans le dernier numéro de la revue en ligne Communication Nature .

Il existe des possibilités limitées pour augmenter l'efficacité des microprocesseurs basés sur la technologie du silicium en diminuant la taille des éléments de construction individuels. Mais il existe d'autres voies prometteuses, qui sont dans une certaine mesure déjà utilisés par l'industrie, comme l'étirement ou la compression du silicium, créant ainsi une tension mécanique qui contribue à améliorer les propriétés électroniques du matériau. Par exemple, la tension dans le bon sens augmente considérablement la mobilité des électrons, ce qui rend les transistors des éléments de commutation beaucoup plus rapides. "Il n'y a en fait aucune magie derrière la création de tension dans un fil - il suffit de tirer fortement sur les deux extrémités", explique Hans Sigg du Laboratoire de micro et nanotechnologie de l'Institut Paul Scherrer. "Le défi est de mettre en œuvre un tel fil dans un état stressé dans un composant électronique."

Pont de silicium de 30 nm de large

Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer ont maintenant développé une méthode pour créer des fils de silicium qui sont étroitement liés à leur matériau environnant et sont soumis à une tension plus de deux fois supérieure à celle utilisée dans les composants contemporains. Comme matériau initial, ils ont utilisé un substrat de fabrication industrielle avec une couche de silicium légèrement sollicitée fixée sur une couche d'oxyde de silicium enterrée. « Il était important pour nous de montrer que notre méthode est compatible avec les méthodes de fabrication et les matériaux de l'industrie », dit Hans Sigg. "Vous pouvez imaginer que le matériau est tiré dans toutes les directions avant qu'il ne soit attaché à la sous-couche d'oxyde", explique Renato Minamisawa de l'Institut Paul Scherrer, qui a mené les expériences avec Martin Süess de l'ETH Zürich. "Le substrat maintient alors la couche en place afin qu'elle ne puisse plus se contracter."

Dans le processus, des parties savamment choisies de la couche de silicium et de la sous-couche d'oxyde sont éliminées par les agents de gravure respectifs, pour créer un fil mince à partir de la couche de silicium - 30 nanomètres de large et 15 nanomètres d'épaisseur - qui est attaché au reste du matériau uniquement à ses extrémités. La méthode est exemplaire pour les possibilités de la nanotechnologie moderne. De cette façon, des milliers de ces fils peuvent être produits avec précision dans un état de contrainte bien défini. La méthode est donc très fiable. "Et c'est même évolutif, ce qui signifie que les fils peuvent être fabriqués aussi petits que vous le souhaitez", fait remarquer Sigg.

Transistors plus rapides grâce à des contraintes élevées

« Puisque toute la force qui était répartie sur une plus grande surface avant la gravure doit maintenant se concentrer dans le fil, une haute tension se crée en son sein", dit Minamisawa, « la tension la plus forte jamais générée dans le silicium ; probablement même la plus forte pouvant être obtenue avant que le matériau ne se brise. » La spectroscopie Raman et la simulation informatique ont été menées au Laboratoire de nanométallurgie sous la direction de Ralph Spolenak à l'ETH, afin de mesurer en détail la répartition des contraintes. À l'avenir, de tels fils seront également étudiés à la Source lumineuse suisse (SLS) de l'Institut Paul Scherrer. L'objectif de telles expériences sera notamment de déterminer dans quelle mesure les propriétés électroniques du matériau ont changé.

Le but ultime serait d'utiliser ces nanofils de silicium comme transistors rapides au sein de microprocesseurs. Pour y parvenir, les chercheurs vont maintenant enquêter, avec des partenaires, comment intégrer ces fils dans une structure de transistor. Dans ce but, les fils doivent être "dopés", c'est-à-dire pourvu de petites quantités d'atomes d'autres éléments, "enveloppé" dans un oxyde fin et muni de contacts métalliques. "Mais même s'ils ne finissent pas dans des applications microélectroniques, nos recherches pourraient montrer quelles sont vraiment les limites de l'électronique silicium, " explique Minamisawa.