Les semi-conducteurs sont un élément essentiel de presque tous les appareils électroniques modernes, et la grande majorité des semi-conducteurs sont fabriqués à Tawain. Les inquiétudes croissantes concernant la dépendance à Taiwan pour les semi-conducteurs, en particulier compte tenu de la relation ténue entre Taïwan et la Chine, ont conduit le Congrès américain à adopter la loi CHIPS and Science à la fin juillet 2022. La loi prévoit plus de 50 milliards de dollars de subventions pour stimuler les semi-conducteurs américains. production et a été largement couvert dans les nouvelles. Trevor Thornton, un ingénieur électricien qui étudie les semi-conducteurs, explique ce que sont ces dispositifs et comment ils sont fabriqués.

1. Qu'est-ce qu'un semi-conducteur ?

D'une manière générale, le terme semi-conducteur fait référence à un matériau, comme le silicium, qui peut conduire l'électricité bien mieux qu'un isolant comme le verre, mais pas aussi bien que des métaux comme le cuivre ou l'aluminium. Mais quand les gens parlent de semi-conducteurs aujourd'hui, ils font généralement référence aux puces à semi-conducteurs.

Ces puces sont généralement fabriquées à partir de fines tranches de silicium avec des composants complexes disposés dessus selon des motifs spécifiques. Ces schémas contrôlent le flux de courant à l'aide d'interrupteurs électriques, appelés transistors, de la même manière que vous contrôlez le courant électrique dans votre maison en actionnant un interrupteur pour allumer une lumière.

La différence entre votre maison et une puce semi-conductrice est que les commutateurs semi-conducteurs sont entièrement électriques (aucun composant mécanique à retourner) et que les puces contiennent des dizaines de milliards de commutateurs dans une zone pas beaucoup plus grande que la taille d'un ongle.

2. Que font les semi-conducteurs ?

Les semi-conducteurs sont la façon dont les appareils électroniques traitent, stockent et reçoivent des informations. Par exemple, les puces mémoire stockent les données et les logiciels sous forme de code binaire, les puces numériques manipulent les données en fonction des instructions du logiciel et les puces sans fil reçoivent les données des émetteurs radio haute fréquence et les convertissent en signaux électriques. Ces différentes puces fonctionnent ensemble sous le contrôle d'un logiciel. Différentes applications logicielles effectuent des tâches très différentes, mais elles fonctionnent toutes en commutant les transistors qui contrôlent le courant.

3. Comment fabrique-t-on une puce à semi-conducteur ?

Le point de départ de la grande majorité des semi-conducteurs est une fine tranche de silicium appelée wafer. Les tranches d'aujourd'hui ont la taille d'assiettes et sont taillées dans des monocristaux de silicium. Les fabricants ajoutent des éléments comme le phosphore et le bore en une fine couche à la surface du silicium pour augmenter la conductivité de la puce. C'est dans cette couche superficielle que sont réalisés les interrupteurs à transistors.

Les transistors sont construits en ajoutant de fines couches de métaux conducteurs, d'isolants et plus de silicium à l'ensemble de la plaquette, en esquissant des motifs sur ces couches à l'aide d'un processus compliqué appelé lithographie, puis en éliminant sélectivement ces couches à l'aide de plasmas contrôlés par ordinateur de gaz hautement réactifs pour laisser modèles et structures spécifiques. Parce que les transistors sont si petits, il est beaucoup plus facile d'ajouter des matériaux en couches puis de retirer soigneusement les matériaux indésirables que de placer des lignes microscopiques de métal ou d'isolants directement sur la puce. En déposant, modelant et gravant des dizaines de couches de matériaux différents, les fabricants de semi-conducteurs peuvent créer des puces avec des dizaines de milliards de transistors par pouce carré.

4. En quoi les puces d'aujourd'hui sont-elles différentes des premières ?

Il existe de nombreuses différences, mais la plus importante est probablement l'augmentation du nombre de transistors par puce.

Parmi les premières applications commerciales des puces à semi-conducteurs figuraient les calculatrices de poche, qui sont devenues largement disponibles dans les années 1970. Ces premières puces contenaient quelques milliers de transistors. En 1989, Intel a présenté les premiers semi-conducteurs à dépasser le million de transistors sur une seule puce. Aujourd'hui, les plus grosses puces contiennent plus de 50 milliards de transistors. Cette tendance est décrite par ce que l'on appelle la loi de Moore, selon laquelle le nombre de transistors sur une puce doublera environ tous les 18 mois.

La loi de Moore a résisté pendant cinq décennies. Mais ces dernières années, l'industrie des semi-conducteurs a dû surmonter des défis majeurs - principalement, comment continuer à réduire la taille des transistors - pour maintenir ce rythme d'avancement.

Une solution consistait à passer de couches plates bidimensionnelles à des couches tridimensionnelles avec des crêtes de silicium en forme d'ailettes dépassant de la surface. Ces puces 3D ont considérablement augmenté le nombre de transistors sur une puce et sont maintenant largement utilisées, mais elles sont également beaucoup plus difficiles à fabriquer.

5. Des puces plus compliquées nécessitent-elles des usines plus sophistiquées ?

En termes simples, oui, plus la puce est compliquée, plus l'usine est compliquée et plus coûteuse.

Il fut un temps où presque toutes les entreprises américaines de semi-conducteurs construisaient et entretenaient leurs propres usines. Mais aujourd'hui, une nouvelle fonderie peut coûter plus de 10 milliards de dollars à construire. Seules les plus grandes entreprises peuvent se permettre ce genre d'investissement. Au lieu de cela, la majorité des entreprises de semi-conducteurs envoient leurs conceptions à des fonderies indépendantes pour la fabrication. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. et GlobalFoundries, dont le siège est à New York, sont deux exemples de fonderies multinationales qui fabriquent des puces pour d'autres entreprises. Ils ont l'expertise et les économies d'échelle nécessaires pour investir dans la technologie extrêmement coûteuse nécessaire à la production de semi-conducteurs de nouvelle génération.

Ironiquement, alors que le transistor et la puce à semi-conducteur ont été inventés aux États-Unis, aucune fonderie de semi-conducteurs à la pointe de la technologie ne se trouve actuellement sur le sol américain. Les États-Unis ont déjà été ici dans les années 1980, lorsque l'on craignait que le Japon ne domine le marché mondial de la mémoire. Mais avec la loi CHIPS récemment adoptée, le Congrès a fourni les incitations et les opportunités pour que les semi-conducteurs de nouvelle génération soient fabriqués aux États-Unis.

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Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article d'origine.