Vue schématique de l'intérieur d'un transistor à nanofils Si grille tout autour avec une résolution atomistique. La couleur de chaque atome correspond à sa température effective, montrant des effets d'auto-échauffement près du côté drain de l'appareil. Crédit :Mathieu Luisier/ETH
Les composants électroniques ne mesurent souvent que quelques nanomètres. Selon la loi de Moore, un transistor moitié en taille tous les deux ans, par exemple, qui est la seule possibilité de placer deux milliards de transistors dans un nanoformat sur une puce de Smartphone. Les petits appareils garantissent que le smartphone peut suivre les demandes en constante évolution - être un téléphone et un appareil photo, ainsi qu'une caméra vidéo de qualité, moteur de recherche, moniteur de santé personnel et animateur. Et ce faisant, les composants doivent fonctionner de manière écoénergétique et être réalisables à faible coût.
Les plus petits composants électroniques deviennent, cependant, plus ils sont difficiles à fabriquer. A titre de comparaison :un globule rouge vaut 7, 000 nanomètres de diamètre, un cheveu humain 80, 000. Par conséquent, produire un transistor de 20 nanomètres et moins à partir de semi-conducteurs tels que l'élément silicium n'est pas seulement un défi technique. Effets physiques, motifs dits de mécanique quantique, modifier les propriétés des matériaux à l'échelle nanométrique, ce qui complique la vie des concepteurs et des ingénieurs dans le développement et la construction de nanodispositifs. Le professeur de l'ETH-Zurich Mathieu Luisier du Laboratoire des systèmes intégrés est maintenant venu à la rescousse.
Prédictions informatiques
Luisier a passé plus de dix ans à perfectionner un logiciel qui simule les transistors du futur, qui ne mesurent que quelques nanomètres. Il est épaulé par le supercalculateur CSCS "Piz Daint", ce qui aide à prédire ce qui se passe lorsque la composition, la forme et la taille des matériaux changent dans le nanomonde. En ce qui concerne Luisier, "Piz Daint" est actuellement la machine de simulation la meilleure et la plus efficace dans la recherche de nouveaux, combinaisons de matériaux idéales. Les travaux du professeur de l'ETH-Zurich ont suscité un grand intérêt dans l'industrie, car les simulations permettent d'économiser du temps et des coûts d'expérimentation dans le développement de nouveaux, composants électroniques performants.
Un problème lorsque des milliards de transistors conventionnels sont placés sur une puce est qu'ils génèrent une énorme quantité de chaleur et surchauffent facilement. C'est parce que les électrons libèrent de l'énergie sur leur chemin à travers le transistor. Luisier et son équipe utilisent leur logiciel OMEN – un simulateur quantique – pour simuler le transport des électrons au niveau atomique afin d'étudier exactement ce qui se passe. Le transistor simulé est constitué d'un nanofil composé de cristaux de silicium. "Quand les électrons traversent le fil, ils possèdent initialement une constante, grande quantité d'énergie, qui diminue progressivement et est absorbé par le réseau cristallin du silicium sous forme de phonons, " explique Luisier. L'interaction entre les électrons et les phonons chauffe le cristal et l'énergie globale reste intacte - preuve pour les chercheurs que leur modèle reproduit correctement le processus. L'objectif est maintenant de construire le transistor à partir des résultats obtenus via les simulations en de telle sorte que les électrons perdent le moins d'énergie possible en cours de route.
Jouer avec les cristaux
D'un côté, les chercheurs sont capables de "jouer" avec l'ordre des différents niveaux de cristaux dans le cristal et de modifier la structure cristalline ou de remplacer le silicium par un autre matériau semi-conducteur dans leurs simulations. D'autre part, ils peuvent vérifier les fonctionnalités et les différentes propriétés des cristaux simulés. Par exemple, les chercheurs ont simulé un nanofil, où le canal est enfermé dans un oxyde et un contact métallique (grille). Les phonons émis par les électrons sont effectivement « capturés » dans le canal et ne peuvent quitter la structure qu'en certains points – le début et la fin du nanofil. "Le remplacement de la coque autour du fil par une structure qui ressemble à la lettre oméga donne une plus grande zone d'échappement des phonons, " précise Luisier. Si la zone est également directement en contact avec un segment de refroidissement, le transistor s'échauffe moins. Les semi-conducteurs généreraient également moins de chaleur s'ils étaient construits à partir de matériaux tels que l'arséniure de gallium d'indium ou le germanium, car ces matériaux permettent aux électrons de se déplacer plus rapidement. Cependant, ils sont beaucoup plus chers que le silicium.
Lors des simulations, les chercheurs réalisent les structures conçues atome par atome. Comme dans la méthode conventionnelle dite « ab initio », qui est utilisé intensivement pour analyser les propriétés des matériaux, l'équation de Schrödinger est également résolue dans les simulations menées par l'équipe de Luisier. Cela leur permet d'étudier comment les électrons et les phonons interagissent.
Cependant, il y a deux différences principales :alors que la méthode ab initio résout le mouvement des ondes des électrons dans un système fermé ou périodiquement répétitif, Le groupe de Luisier complète la méthode avec des conditions aux limites ouvertes, qui permet de simuler le transport. Les scientifiques peuvent alors observer à la fois les flux d'électrons et les courants thermiques, et décrire l'interconnexion avec l'environnement, l'interaction du flux d'électrons avec les courants thermiques. Une autre différence est que les calculs utilisant OMEN sont actuellement menés sur la base de modèles empiriques car ils sont encore trop complexes et plus gourmands en informatique "ab initio".
Calcul haute performance
Cependant, de nouveaux algorithmes sont en cours de développement dans un projet PASC collaboratif avec des scientifiques de l'Università della Svizzera italiana et de l'EPF Lausanne pour rendre les calculs plus efficaces. « A moyen terme, nous voulons remplacer tous les modèles empiriques par des modèles ab initio afin de pouvoir calculer plus facilement et plus précisément des structures faites de différents matériaux, " dit Luisier. " C'est pourquoi nous avons besoin d'algorithmes et de machines optimisés comme Piz Daint. "
Néanmoins, Luisier souligne que, au meilleur de sa connaissance, l'approche empirique de son équipe est plus à la pointe que jamais dans le développement de nanocomposants électroniques. Un autre axe de recherche de son groupe est la simulation de batteries lithium-ion. "Si nous comprenons plus précisément le développement de la chaleur dans les transistors ou les batteries, nous pourrons proposer de meilleurs designs, " précise Luisier. " OMEN est un simulateur de composants de nouvelle génération, où les ingénieurs utilisent des concepts qui n'ont jamais été utilisés auparavant en science des matériaux, chimie ou physique."
