Les entreprises de semi-conducteurs ont du mal à développer des dispositifs de quelques nanomètres, et une grande partie du défi réside dans la capacité de décrire plus précisément la physique sous-jacente à cette nano-échelle. Mais une nouvelle approche informatique qui est en préparation depuis une décennie pourrait faire tomber ces barrières.

Dispositifs utilisant des semi-conducteurs, des ordinateurs aux cellules solaires, ont bénéficié d'améliorations considérables en matière d'efficacité au cours des dernières décennies. Communément, l'un des co-fondateurs d'Intel, Gordon Moore, ont observé que le nombre de transistors dans un circuit intégré double environ tous les deux ans - et cette « loi de Moore » s'est vérifiée pendant un certain temps.

Dans les années récentes, cependant, ces gains ont ralenti, car les entreprises qui tentent de concevoir des transistors à l'échelle nanométrique ont atteint les limites de la miniaturisation au niveau atomique.

Des chercheurs de l'École de génie électrique du KAIST ont développé une nouvelle approche de la physique sous-jacente des semi-conducteurs.

« Avec les systèmes quantiques ouverts comme principale cible de recherche de notre laboratoire, nous revisitions des concepts qui avaient été tenus pour acquis et apparaissaient même dans les manuels standard de physique des semi-conducteurs tels que la chute de tension dans les dispositifs semi-conducteurs en fonctionnement, " a déclaré le chercheur principal, le professeur Yong-Hoon Kim. " Se demandant comment tous ces concepts pourraient être compris et éventuellement révisés à l'échelle nanométrique, il était clair qu'il y avait quelque chose d'incomplet dans notre compréhension actuelle."

"Et alors que les puces semi-conductrices sont réduites au niveau atomique, trouver une meilleure théorie pour décrire les dispositifs à semi-conducteurs est devenu une tâche urgente."

La compréhension actuelle stipule que les semi-conducteurs sont des matériaux qui agissent comme des maisons intermédiaires entre les conducteurs, comme le cuivre ou l'acier, et isolants, comme le caoutchouc ou la mousse de polystyrène. Ils conduisent parfois l'électricité, mais pas toujours. Cela en fait un excellent matériau pour contrôler intentionnellement le flux de courant, ce qui à son tour est utile pour construire les simples interrupteurs marche/arrêt - les transistors - qui sont à la base des dispositifs de mémoire et de logique dans les ordinateurs.

Pour « allumer » un semi-conducteur, une source de courant ou de lumière est appliquée, exciter un électron dans un atome pour qu'il saute de ce qu'on appelle une "bande de valence, ' qui est rempli d'électrons, jusqu'à la 'bande de conduction, ' qui est à l'origine non rempli ou seulement partiellement rempli d'électrons. Les électrons qui ont sauté jusqu'à la bande de conduction grâce à des stimuli externes et les « trous » restants sont désormais capables de se déplacer et d'agir comme porteurs de charge pour faire circuler le courant électrique.

Le concept physique qui décrit les populations d'électrons dans la bande de conduction et les trous dans la bande de valence et l'énergie nécessaire pour faire ce saut est formulé en termes de ce qu'on appelle le « niveau de Fermi ». Par exemple, vous devez connaître les niveaux de Fermi des électrons et des trous afin de savoir quelle quantité d'énergie vous allez tirer d'une cellule solaire, y compris les pertes.

Mais le concept de niveau de Fermi n'est défini directement que tant qu'un dispositif semi-conducteur est à l'équilibre - assis sur une étagère ne faisant rien - et le but des dispositifs semi-conducteurs n'est pas de les laisser sur l'étagère.

Il y a quelque 70 ans, William Shockley, le prix Nobel co-inventeur du transistor aux Bell Labs, est venu avec un peu d'un fudge théorique, le 'niveau quasi-Fermi, ' ou FTQ, permettant une prédiction et une mesure grossières de l'interaction entre les trous de la bande de valence et les électrons de la bande de conduction, et cela a plutôt bien fonctionné jusqu'à maintenant.

"Mais quand vous travaillez à l'échelle de quelques nanomètres, les méthodes pour calculer théoriquement ou mesurer expérimentalement le fractionnement des QFL n'étaient tout simplement pas disponibles, " a déclaré le professeur Kim.

Cela signifie qu'à cette échelle, des problèmes tels que les erreurs liées à la chute de tension prennent une importance beaucoup plus grande.

L'équipe de Kim a travaillé pendant près de dix ans sur le développement d'une nouvelle description théorique du transport d'électrons quantique à l'échelle nanométrique qui peut remplacer la méthode standard et le logiciel qui leur permet de l'utiliser. Cela impliquait le développement ultérieur d'un peu de mathématiques connues sous le nom de théorie fonctionnelle de la densité qui simplifie les équations décrivant les interactions des électrons, et qui a été très utile dans d'autres domaines tels que la découverte de matériaux informatiques à haut débit.

Pour la première fois, ils ont pu calculer le fractionnement FTQ, offrant une nouvelle compréhension de la relation entre la chute de tension et le transport quantique des électrons dans les dispositifs à l'échelle atomique.

En plus d'étudier divers phénomènes quantiques hors d'équilibre intéressants avec leur nouvelle méthodologie, l'équipe continue de développer son logiciel en un outil de conception assistée par ordinateur qui sera utilisé par les sociétés de semi-conducteurs pour développer et fabriquer des dispositifs semi-conducteurs avancés.