Le microscope de simulation teste les transistors du futur

Avec la miniaturisation croissante des composants électroniques, les chercheurs sont confrontés à des effets secondaires indésirables : Les transistors à l'échelle nanométrique, fabriqués à partir de matériaux traditionnels comme le silicium, peuvent subir des effets quantiques qui entravent le fonctionnement des composants. Il s'agit par exemple des courants de fuite. Il s'agit de courants qui circulent sur des "chemins détournés" et non sur le conducteur prévu à cet effet, entre le contact de source et le contact de drain. C'est pourquoi on a supposé que la loi de Moore atteindrait ses limites dans un avenir proche en raison de cette miniaturisation progressive. Cette loi stipule que le nombre de circuits intégrés par unité de surface double tous les 12 à 18 mois.

En fin de compte, cela signifie que les transistors à base de silicium actuellement fabriqués - appelés FinFET et dont presque tous les superordinateurs sont équipés - ne peuvent plus être construits plus petits à volonté en raison des effets quantiques.

Des espoirs en deux dimensions

Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'EPF Lausanne part toutefois du principe que ce problème pourrait être surmonté gr?ce à de nouveaux matériaux bidimensionnels. C'est du moins ce que laissent supposer les simulations qu'ils ont réalisées sur le superordinateur "Piz Daint".

Le groupe de recherche de Mathieu Luisier de l'Institut des systèmes intégrés (IIS) de l'ETH Zurich et Nicola Marzari de l'EPFL ont utilisé pour leurs simulations les résultats de recherche obtenus par Marzari et son équipe en 2018 : ? partir d'un pool de plus de 100 000 matériaux, ils ont alors extrait, à l'aide de simulations complexes sur "Piz Daint", 1825 composants prometteurs à partir desquels des couches de matériaux bidimensionnelles pourraient être obtenues - et ce 14 ans après la découverte du graphène. C'est à cette occasion que la recherche a pris conscience pour la première fois qu'elle pouvait fabriquer des matériaux bidimensionnels.

Parmi ces plus de 1800 matériaux, les chercheurs ont maintenant sélectionné 100 candidats, composés d'une monocouche d'atomes, qui pourraient convenir à la construction de transistors à effet de champ (FET) à haute échelle. Sous le "ab initio"-microscope, ils ont étudié leurs propriétés. Cela signifie qu'ils ont d'abord calculé sur le supercalculateur du CSCS "Piz Daint" la dynamique des molécules qui composent le matériau, y compris leur structure électronique. Ils ont ensuite combiné ces calculs avec un simulateur de transport quantique afin de simuler les flux d'électrons ou de trous possibles à travers les transistors créés virtuellement. Le simulateur de transport quantique utilisé a été développé par Mathieu Luisier en collaboration avec une autre équipe de recherche de l'ETH. Luisier et son équipe ont re?u en 2019 le prix Gordon Bell pour le procédé sur lequel repose le simulateur.

Trouver le candidat optimal

Ce qui est décisif pour le transistor, c'est que le flux de courant puisse être contr?lé de manière optimale par une ou plusieurs électrodes de commande du transistor, les contacts de grille. Gr?ce à la nature ultra-mince des matériaux bidimensionnels - ils sont généralement plus fins qu'un nanomètre -, un seul contact de grille (single-gate) peut moduler le flux d'électrons et de courants de trous, et allumer ou éteindre complètement un transistor.

"Bien que tous les matériaux 2-D possèdent cette propriété, tous ne se prêtent pas à des applications logiques", souligne Luisier, "seuls ceux qui ont une bande interdite suffisamment grande entre la bande de valence et la bande de conduction". Les matériaux avec une grande bande interdite empêchent les effets dits de tunnel des électrons et donc les courants de fuite qu'ils provoquent - ce sont précisément ces matériaux que les chercheurs ont recherchés dans leurs simulations.

Leur objectif était de trouver des matériaux bidimensionnels capables de fournir un courant plus fort que trois milliampères par micromètre, aussi bien comme transistor de type n (transport d'électrons) que comme transistor de type p (transport de trous). La longueur de leur canal peut en outre être minuscule, jusqu'à cinq nanomètres, sans que cela n'affecte le comportement de commutation. "Ce n'est que lorsque ces conditions seront remplies que les transistors basés sur des matériaux bidimensionnels pourront surpasser les FinFET Si traditionnels", conclut Luisier.

La balle est dans le camp des chercheurs expérimentaux

En tenant compte de ces aspects, les chercheurs ont identifié 13 matériaux bidimensionnels possibles permettant de construire de tels transistors tout en garantissant la poursuite de la loi de Moore sur la mise à l'échelle. Certains des matériaux trouvés sont déjà connus, par exemple le phosphore noir ou le HfS2, un dichalcogénure dit de métal de transition. Mais d'autres sont nouveaux, souligne le chercheur. Parmi eux, des composés comme Ag₂N₆ ou O₆Sb₄.

"Nous avons créé l'une des plus grandes bases de données de matériaux transistors. Avec ces résultats, nous espérons motiver les expérimentateurs qui travaillent avec des matériaux 2-D à exfolier de nouveaux cristaux pour fabriquer les futurs commutateurs logiques", explique le professeur de l'ETH.

Les groupes de recherche de Luisier et Marzari collaborent étroitement au sein du Centre national de compétence en recherche (NCCR) "Marvel" et ont publié leurs derniers résultats communs dans la revue spécialisée ACS Nano. Ils sont convaincus que les transistors basés sur ces nouveaux matériaux remplaceront ceux en silicium ou en dichalcogénures de métaux de transition, actuellement très populaires. Ainsi, la validité de la loi de Moore pourrait être maintenue.

Ce texte de Simone Ulmer est paru en anglais sur le site du page externeCSCS.