Une puce informatique typique comprend des millions de transistors connectés à un vaste réseau de fils de cuivre. Bien que les fils de puce soient incroyablement courts et minces par rapport aux fils domestiques, ils ont tous deux une chose en commun :dans chaque cas, le cuivre est enveloppé dans une gaine protectrice.

Pendant des années, un matériau appelé nitrure de tantale a formé une couche protectrice dans les fils des puces.

Maintenant, des expériences menées par Stanford démontrent qu'un matériau de gainage différent, graphène, peut aider les électrons à traverser plus rapidement les minuscules fils de cuivre des puces.

Le graphène est une couche unique d'atomes de carbone disposés en un réseau solide mais mince. Ingénieur électricien de Stanford H.-S. Philip Wong dit cette modeste solution, utiliser du graphène pour envelopper les fils, pourrait permettre aux transistors d'échanger des données plus rapidement qu'il n'est actuellement possible. Et les avantages de l'utilisation du graphène deviendraient plus importants à l'avenir à mesure que les transistors continueront de rétrécir.

« Les chercheurs ont fait d'énormes progrès sur tous les autres composants des puces, mais récemment, il n'y a pas eu beaucoup de progrès sur l'amélioration des performances des fils, " il a dit.

Wong a dirigé une équipe de six chercheurs, dont deux de l'Université du Wisconsin-Madison, qui présenteront leurs conclusions au Symposia of VLSI Technology and Circuits à Kyoto, un lieu de premier plan pour l'industrie électronique.

Ling Li, un étudiant diplômé en génie électrique à Stanford et premier auteur du document de recherche, a expliqué pourquoi le changement de l'enveloppe extérieure sur les fils de connexion peut avoir un impact si important sur les performances de la puce.

Il faut d'abord comprendre le double rôle de cette couche protectrice :elle isole le cuivre du silicium de la puce et sert également à conduire l'électricité.

Sur les puces de silicium, les transistors agissent comme de minuscules portes pour allumer ou éteindre les électrons. Cette fonction de commutation est la façon dont les transistors traitent les données.

Les fils de cuivre entre les transistors transportent ces données une fois qu'elles sont traitées.

Le matériau isolant, actuellement le nitrure de tantale, empêche le cuivre de migrer dans les transistors au silicium et de les rendre non fonctionnels.

Pourquoi passer au graphène ?

Deux raisons, à commencer par le désir incessant de continuer à faire des composants électroniques plus petits.

Lorsque l'équipe de Stanford a utilisé la couche la plus fine possible de nitrure de tantale nécessaire pour remplir cette fonction isolante, ils ont découvert que la norme de l'industrie était huit fois plus épaisse que la couche de graphène qui faisait le même travail.

Le graphène avait un deuxième avantage en tant que gaine protectrice et ici, il est important de différencier le fonctionnement de cette couche externe dans les fils de puce par rapport aux fils domestiques.

Dans les fils internes, la couche externe isole le cuivre pour éviter l'électrocution ou les incendies.

Dans une puce, la couche autour des fils est une barrière pour empêcher les atomes de cuivre de s'infiltrer dans le silicium. Si cela se produisait, les transistors cesseraient de fonctionner. Ainsi la couche protectrice isole le cuivre du silicium

L'expérience de Stanford a montré que le graphène pouvait jouer ce rôle isolant tout en servant également de conducteur auxiliaire d'électrons. Sa structure en treillis permet aux électrons de sauter d'atome de carbone en atome de carbone directement le long du fil, tout en contenant efficacement les atomes de cuivre dans le fil de cuivre.

Ces avantages - la minceur de la couche de graphène et son double rôle d'isolateur et de conducteur auxiliaire - permettent à cette nouvelle technologie de fil de transporter plus de données entre les transistors, accélérer les performances globales de la puce dans le processus.

Dans les puces d'aujourd'hui, les avantages sont modestes; un isolateur en graphène augmenterait la vitesse des fils de 4% à 17%, selon la longueur du fil.

Mais comme les transistors et les fils continuent de diminuer en taille, les avantages de l'isolateur de graphène ultrafin mais conducteur deviennent plus importants. Les ingénieurs de Stanford estiment que leur technologie pourrait augmenter la vitesse des fils de 30 % au cours des deux prochaines générations

Les chercheurs de Stanford pensent que la promesse d'un calcul plus rapide incitera d'autres chercheurs à s'intéresser aux fils, et aider à surmonter certains des obstacles nécessaires pour mettre cette preuve de principe dans la pratique courante.

Cela inclurait des techniques pour faire pousser du graphène, en particulier le cultiver directement sur les fils pendant que les puces sont produites en série. En plus de son collaborateur de l'Université du Wisconsin, le professeur Michael Arnold, Wong a cité le professeur de l'Université Purdue, Zhihong Chen. Wong a noté que l'idée d'utiliser le graphène comme isolant a été inspirée par le professeur Paul McEuen de l'Université Cornell et ses recherches pionnières sur les propriétés fondamentales de ce merveilleux matériau. Alexander Balandin de l'Université de Californie-Riverside a également contribué à l'utilisation du graphène dans les puces.

"Le graphène est promis depuis longtemps à l'industrie électronique, et l'utiliser comme barrière de cuivre est peut-être la première réalisation de cette promesse, " a déclaré Wong.