Depuis des décennies, les transistors de nos puces électroniques sont devenus plus petits, plus rapide et moins cher. Environ tous les deux ans, le nombre de transistors sur les puces commerciales a doublé – ce phénomène est devenu connu sous le nom de « loi de Moore ». Mais depuis plusieurs années maintenant, La loi de Moore ne tient plus. La miniaturisation a atteint une limite naturelle, car des problèmes complètement nouveaux se posent lorsqu'une échelle de longueur de quelques nanomètres seulement est approchée.

Maintenant, cependant, la prochaine grande étape de miniaturisation pourrait bientôt devenir possible - avec des "matériaux bidimensionnels (2-D)" qui peuvent n'être constitués que d'une seule couche atomique. A l'aide d'un nouvel isolant en fluorure de calcium, des scientifiques de la TU Wien (Vienne) ont créé un transistor ultra-mince, qui a d'excellentes propriétés électriques et, contrairement aux technologies précédentes, peut être miniaturisé à une taille extrêmement petite. La nouvelle technologie a maintenant été présentée dans la revue Nature Électronique .

Semi-conducteurs et isolants ultra-minces

La recherche sur les matériaux semi-conducteurs nécessaires à la fabrication des transistors a connu des progrès significatifs ces dernières années. Aujourd'hui, les semi-conducteurs ultra-minces peuvent être constitués de matériaux 2D, constitué de quelques couches atomiques seulement. "Mais cela ne suffit pas pour construire un transistor extrêmement petit, " explique le professeur Tibor Grasser de l'Institut de microélectronique de la TU Wien. " En plus du semi-conducteur ultra-mince, nous avons également besoin d'un isolant ultra-mince."

Cela est dû à la structure de conception fondamentale d'un transistor :le courant peut circuler d'un côté du transistor à l'autre, mais seulement si une tension est appliquée au milieu, créer un champ électrique. L'électrode fournissant ce champ doit être isolée électriquement du semi-conducteur lui-même. "Il y a déjà eu des expériences de transistors avec des semi-conducteurs ultra-minces, mais jusqu'à présent ils étaient couplés à des isolateurs ordinaires, " explique Tibor Grasser. " Il n'y a pas grand intérêt à réduire l'épaisseur du semi-conducteur lorsqu'il doit encore être associé à une épaisse couche de matériau isolant. Il n'y a aucun moyen de miniaturiser davantage un tel transistor. Aussi, à de très petites échelles de longueur, la surface de l'isolant s'est avérée perturber les propriétés électroniques du semi-conducteur."

Par conséquent, Iouri Illarionov, un post-doctorant dans l'équipe de Tibor Grasser, essayé une nouvelle approche. Il a utilisé des matériaux 2-D ultra-fins non seulement pour la partie semi-conductrice du transistor, mais aussi pour la partie isolante. En sélectionnant des matériaux isolants ultra-minces tels que les cristaux ioniques, un transistor d'une taille de quelques nanomètres seulement peut être construit. Les propriétés électroniques sont améliorées car les cristaux ioniques peuvent avoir une surface parfaitement régulière, sans qu'un seul atome dépasse de la surface, qui pourrait perturber le champ électrique. "Les matériaux conventionnels ont des liaisons covalentes dans la troisième dimension - des atomes qui se couplent aux matériaux voisins au-dessus et au-dessous, " explique Tibor Grasser. " Ce n'est pas le cas dans les matériaux 2D et les cristaux ioniques, et ainsi ils n'interfèrent pas avec les propriétés électriques du semi-conducteur."

Le prototype est un champion du monde

Pour produire le nouveau transistor ultra-mince, le fluorure de calcium a été choisi comme matériau isolant. La couche de fluorure de calcium a été produite à l'Institut Ioffe de Saint-Pétersbourg, où le premier auteur de la publication, Iouri Illarionov, est originaire d'avant de rejoindre l'équipe à Vienne. Le transistor lui-même a ensuite été fabriqué par l'équipe du professeur Thomas Müller à l'Institut de photonique de la TU Wien et analysé à l'Institut de microélectronique.

Le tout premier prototype a déjà dépassé toutes les attentes :« Pendant des années, nous avons reçu un certain nombre de transistors différents pour étudier leurs propriétés techniques, mais nous n'avons jamais rien vu de tel que notre transistor avec l'isolant au fluorure de calcium, " dit Tibor Grasser. " Le prototype avec ses propriétés électriques supérieures surpasse tous les modèles précédents. "

L'équipe veut maintenant découvrir quelles combinaisons d'isolants et de semi-conducteurs fonctionnent le mieux. Il faudra peut-être encore quelques années avant que la technologie puisse être utilisée pour des puces informatiques disponibles dans le commerce, car les processus de fabrication des couches de matériau doivent encore être améliorés. "En général, cependant, il ne fait aucun doute que les transistors en matériaux 2-D sont une option très intéressante pour l'avenir, " dit Tibor Grasser. " D'un point de vue scientifique, il est clair que les fluorures que nous venons de tester sont actuellement la meilleure solution au problème des isolants. Maintenant, seules quelques questions techniques restent sans réponse. "

Ce nouveau type de transistor plus petit et plus rapide devrait permettre à l'industrie informatique de franchir une nouvelle étape importante. Par ici, La loi de Moore sur l'augmentation exponentielle de la puissance informatique pourrait bientôt reprendre vie.