Les scientifiques d'IBM ont démontré une nouvelle approche de la nanotechnologie du carbone qui ouvre la voie à la fabrication commerciale de pièces considérablement plus petites, puces informatiques plus rapides et plus puissantes. Pour la première fois, plus de dix mille transistors fonctionnels constitués de nanotubes de carbone ont été placés et testés avec précision dans une seule puce à l'aide de processus semi-conducteurs standard. Ces dispositifs en carbone sont sur le point de remplacer et de surpasser la technologie du silicium, permettant une miniaturisation accrue des composants informatiques et ouvrant la voie à la future microélectronique.
Aidé par une innovation rapide sur quatre décennies, la technologie des microprocesseurs au silicium a continuellement diminué en taille et amélioré ses performances, entraînant ainsi la révolution des technologies de l'information. Transistors au silicium, de minuscules commutateurs qui transportent des informations sur une puce, ont été réduits d'année en année, mais ils approchent d'un point de limitation physique. Leurs dimensions de plus en plus petites, atteignant maintenant l'échelle nanométrique, interdira tout gain de performance dû à la nature du silicium et aux lois de la physique. Dans quelques générations, la mise à l'échelle et le rétrécissement classiques ne produiront plus les avantages considérables d'une puissance inférieure, des processeurs moins coûteux et plus rapides auxquels l'industrie s'est habituée.
Les nanotubes de carbone représentent une nouvelle classe de matériaux semi-conducteurs dont les propriétés électriques sont plus attractives que le silicium, en particulier pour la construction de dispositifs à transistors à l'échelle nanométrique de quelques dizaines d'atomes de diamètre. Les électrons dans les transistors au carbone peuvent se déplacer plus facilement que dans les dispositifs à base de silicium, ce qui permet un transport plus rapide des données. Les nanotubes sont également idéalement façonnés pour des transistors à l'échelle atomique, un avantage sur le silicium. Ces qualités sont parmi les raisons de remplacer le transistor silicium traditionnel par du carbone - et couplées à de nouvelles architectures de conception de puces - permettront l'innovation informatique à l'échelle miniature pour l'avenir.
L'approche développée dans les laboratoires IBM ouvre la voie à la fabrication de circuits avec un grand nombre de transistors à nanotubes de carbone à des positions de substrat prédéterminées. La capacité d'isoler les nanotubes semi-conducteurs et de placer une haute densité de dispositifs en carbone sur une plaquette est cruciale pour évaluer leur adéquation avec une technologie - à terme, plus d'un milliard de transistors seront nécessaires pour une intégration future dans des puces commerciales. Jusqu'à maintenant, les scientifiques ont pu placer au plus quelques centaines de dispositifs à nanotubes de carbone à la fois, pas assez pour résoudre les problèmes clés des applications commerciales.
"Nanotubes de carbone, né de la chimie, ont été en grande partie des curiosités de laboratoire en ce qui concerne les applications microélectroniques. Nous tentons les premiers pas vers une technologie en fabriquant des transistors à nanotubes de carbone au sein d'une infrastructure de fabrication de plaquettes conventionnelle, " a déclaré Supratik Guha, Directeur des sciences physiques chez IBM Research. « La motivation pour travailler sur les transistors à nanotubes de carbone est qu'à des dimensions nanométriques extrêmement petites, ils surpassent les transistors fabriqués à partir de tout autre matériau. Cependant, il y a des défis à relever tels que l'ultra haute pureté des nanotubes de carbone et le placement délibéré à l'échelle nanométrique. Nous avons fait des progrès significatifs dans les deux cas."
Étudiés à l'origine pour la physique qui découle de leurs dimensions et formes atomiques, les nanotubes de carbone sont explorés par des scientifiques du monde entier dans des applications qui couvrent les circuits intégrés, stockage et conversion d'énergie, la détection biomédicale et le séquençage de l'ADN.
Cette réalisation a été publiée aujourd'hui dans la revue à comité de lecture Nature Nanotechnologie .
La route du carbone
Carbone, un élément de base facilement disponible à partir duquel sont fabriqués des cristaux aussi durs que des diamants et aussi doux que la "mine" d'un crayon, a des applications informatiques de grande envergure.
Les nanotubes de carbone sont des feuilles atomiques uniques de carbone enroulées dans un tube. Le nanotube de carbone forme le noyau d'un transistor qui fonctionnera d'une manière similaire au transistor au silicium actuel, mais sera plus performant. Ils pourraient être utilisés pour remplacer les transistors dans les puces qui alimentent nos serveurs de traitement de données, ordinateurs hautes performances et téléphones intelligents ultra rapides.
Plus tôt cette année, Des chercheurs d'IBM ont démontré que les transistors à nanotubes de carbone peuvent fonctionner comme d'excellents commutateurs à des dimensions moléculaires inférieures à dix nanomètres - l'équivalent de 10, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain et moins de la moitié de la taille de la technologie leader du silicium. Une modélisation complète des circuits électroniques suggère qu'une amélioration des performances d'environ cinq à dix fois par rapport aux circuits en silicium est possible.
Il existe des défis pratiques pour que les nanotubes de carbone deviennent une technologie commerciale, notamment, comme mentionné précédemment, en raison de la pureté et de l'emplacement des appareils. Les nanotubes de carbone se présentent naturellement sous la forme d'un mélange d'espèces métalliques et semi-conductrices et doivent être parfaitement placés sur la surface de la plaquette pour fabriquer des circuits électroniques. Pour le fonctionnement de l'appareil, seul le type de tubes semi-conducteurs est utile, ce qui nécessite essentiellement l'élimination complète des tubes métalliques pour éviter les erreurs dans les circuits. Aussi, pour qu'une intégration à grande échelle se produise, il est essentiel de pouvoir contrôler l'alignement et l'emplacement des dispositifs à nanotubes de carbone sur un substrat.
Pour surmonter ces obstacles, Les chercheurs d'IBM ont développé une nouvelle méthode basée sur la chimie d'échange d'ions qui permet un placement précis et contrôlé de nanotubes de carbone alignés sur un substrat à haute densité - deux ordres de grandeur de plus que les expériences précédentes, permettant le placement contrôlé de nanotubes individuels avec une densité d'environ un milliard par centimètre carré.
Le processus commence avec des nanotubes de carbone mélangés à un tensioactif, une sorte de savon qui les rend solubles dans l'eau. Un substrat est composé de deux oxydes avec des tranchées en oxyde d'hafnium chimiquement modifié (HfO
By combining chemistry, processing and engineering expertise, IBM researchers are able to fabricate more than ten thousand transistors on a single chip.
Par ailleurs, rapid testing of thousands of devices is possible using high volume characterization tools due to compatibility to standard commercial processes.
As this new placement technique can be readily implemented, involving common chemicals and existing semiconductor fabrication, it will allow the industry to work with carbon nanotubes at a greater scale and deliver further innovation for carbon electronics.
