Cinq structures de test différentes comportent des piles de nanofils avec différents nombres de niveaux. La structure du bas n'a qu'un seul niveau; la structure supérieure en a cinq. Images :Judy Hoyt, Pouya Hachemi et Leonardo Gomez
(PhysOrg.com) -- Les ordinateurs deviennent de plus en plus puissants parce que les transistors au silicium ne cessent de devenir plus petits. Mais cette miniaturisation ne peut pas continuer beaucoup plus loin sans un changement dans la conception des transistors, qui est resté plus ou moins le même depuis 40 ans.
Un successeur potentiel des transistors au silicium d'aujourd'hui est les nanofils de silicium, de minuscules filaments de silicium suspendus comme les cordes d'une guitare entre des plots électriquement conducteurs. Mais alors que les nanofils de silicium sont certainement assez petits pour maintenir la miniaturisation des circuits informatiques sur la bonne voie, il y a eu des doutes quant à savoir s'ils peuvent faire passer suffisamment de courant électrique pour le calcul à grande vitesse. Lors de la réunion internationale des dispositifs électroniques de 2008, des chercheurs des Microsystems Technology Laboratories du MIT ont démontré des nanofils de silicium avec une mobilité électronique deux fois plus élevée - ce qui indique avec quelle facilité le courant peut être induit - par rapport à leurs prédécesseurs. Maintenant, le même groupe a montré qu'il pouvait construire des puces dans lesquelles jusqu'à cinq nanofils haute performance sont empilés les uns sur les autres. Cela permettrait aux transistors à nanofils de faire passer jusqu'à cinq fois plus de courant sans occuper plus de surface à la surface de la puce, une étape cruciale vers l'établissement de la viabilité des transistors silicium-nanofil.
Un transistor est essentiellement un interrupteur :lorsqu'il est allumé, il fait passer un courant électrique, et quand c'est éteint, ce n'est pas le cas. L'inversion de l'interrupteur nécessite de charger une partie du transistor appelée « porte ». Dans la conception d'aujourd'hui, la grille se trouve au-dessus du transistor. Mais si le transistor devient assez petit, l'électricité coulera à travers elle, que la porte soit chargée ou non. Éteindre l'interrupteur devient impossible.
Parce que les nanofils de silicium sont suspendus dans l'air, la porte peut être enroulée tout autour d'eux, comme l'isolation autour d'un fil électrique, ce qui améliore le contrôle de l'interrupteur. Mais l'étroitesse des nanofils limite la quantité de courant qu'ils peuvent faire passer.
La professeure d'électrotechnique Judy Hoyt et ses étudiants diplômés Pouya Hashemi et Leonardo Gomez ont amélioré les performances des transistors à nanofils en silicium en :essentiellement, écartant légèrement les atomes du silicium qu'ils ne le seraient naturellement, ce qui permet aux électrons de circuler plus librement à travers les fils. Un tel «silicium contraint» est un moyen standard d'améliorer les performances des transistors conventionnels depuis 2003. Mais Hoyt a été l'un des premiers chercheurs dans le domaine.
« Depuis le début des années 90, elle a vraiment joué un rôle de pionnière dans la technologie du silicium tendu, ", dit Tahir Ghani, directeur de la technologie et de l'intégration des transistors pour le groupe Technologie et fabrication d'Intel. "Elle a fait beaucoup de ce travail de pionnier qui a démontré pour la première fois que vous pouvez obtenir des gains de performances significatifs en mettant en œuvre une contrainte dans la technologie du silicium." Hoyt et les travaux de son groupe sur les nanofils de silicium contraints, Ghani dit, « combine les deux éléments clés des transistors » - les performances et l'efficacité de l'espace - « qui sont tous deux essentiels à la mise à l'échelle à l'avenir. Et donc de ce point de vue, cela le rend très pertinent pour l'industrie.
Quatre grossissements successifs d'une puce de test avec des circuits de nanofils. (1) Une plaquette avec des dizaines de puces gravées dedans. (2) Un gros plan de quatre jetons. (3) Coupes transversales de deux nanofils dans un transistor :au centre se trouvent les nanofils; les entourant se trouvent les éléments de transistor appelés « portes ». (4) Un gros plan du fil.Images :Judy Hoyt, Pouya Hachemi et Leonardo Gomez
Gérer le stress
Pour construire leurs transistors à nanofils empilés, les chercheurs du MIT commencent avec une plaquette de silicium normale, sur laquelle ils déposent un composite silicium-germanium. Parce que les atomes de germanium sont plus gros que les atomes de silicium, les distances entre les atomes dans la couche de silicium-germanium sont plus grandes qu'elles ne le seraient dans une couche de silicium pur. Lorsque les chercheurs déposent une autre couche de silicium sur le composite, les atomes de silicium essaient de s'aligner avec les atomes sous eux, afin qu'ils, trop, finissent par être légèrement plus espacés.
Cette couche de silicium contraint est liée à une seconde plaque de silicium, et les autres couches sont supprimées, laissant la seconde plaquette recouverte d'une couche de base de silicium contraint. Les chercheurs empilent ensuite des couches alternées de silicium-germanium et de silicium sur la couche de base, transmettre sa contrainte à chaque couche successive de silicium. En utilisant une technique appelée lithographie par faisceau d'électrons, les chercheurs dessinent des lignes fines sur les piles, puis gravent le matériau entre les lignes. Finalement, ils décapent le silicium-germanium restant, et il leur reste plusieurs couches de nanofils de silicium suspendus. Hoyt et ses étudiants ont fabriqué des nanofils d'un diamètre de seulement huit nanomètres, qu'ils ont décrit dans un article publié en 2009 dans la revue Electron Device Letters de l'Institute of Electrical and Electronics Engineers; par contre, les plus petits éléments des puces informatiques d'aujourd'hui mesurent 45 nanomètres de diamètre.
Hoyt dit que son groupe peut créer du silicium avec deux fois la contrainte observée dans les puces construites par les fournisseurs commerciaux. « On augmente la fraction germanium de la couche initiale, nous créons donc plus de stress dans le silicium, ", dit Hoyt. De plus, dit Hachemi, « nous sommes le seul groupe au monde à avoir montré que nous pouvons maintenir cette tension après la suspension », c'est-à-dire une fois les couches sous-jacentes coupées.
Jusque là, Le groupe de Hoyt a construit des transistors à nanofils dans lesquels la charge est transportée par des électrons en mouvement. Mais pour maximiser l'efficacité de calcul, une puce informatique standard utilise en fait deux types de transistors. Dans l'autre type, la charge est transportée par ce qu'on appelle des trous. Un trou est simplement l'absence d'un électron dans un cristal de matériau semi-conducteur. Quand un électron glisse pour remplir le trou, il quitte sa propre place dans le cristal; un autre électron glisse pour remplir cet endroit ; etc. De cette façon, le trou se déplace en effet le long du cristal.
L'augmentation de la mobilité des trous dans de tels transistors nécessite un type de contrainte différent :les atomes du cristal doivent en fait être coincés plus près que cela n'est confortable. Le groupe de Hoyt travaille donc maintenant à construire des nanofils à partir d'un composite silicium-germanium, où les couches intermédiaires de silicium pur provoquent une compression plutôt qu'une tension.
