Transistor métal-air : la loi de Moore sera-t-elle dépassée ?
Un nouveau transistor d’émission de champ qui utilise des trous d’air pourrait permettre de dépasser la loi de Moore. En effet, il est prévu que le doublement du nombre de transistors en silicium par unité de surface tous les deux ans prendra fin vers 2025 lorsque la technologie atteindra ses limites physiques.
Un transistor ACT
Mais des chercheurs de la RMIT University à Melbourne, en Australie, pensent qu’un transistor à émission de champ à base de métal (ACT) qu’ils ont développé pourrait maintenir le doublement du transistor pendant encore deux décennies.
Ce dispositif ACT élimine le besoin de semi-conducteurs. Il utilise plutôt deux électrodes métalliques symétriques séparées par un trou d’air de moins de 35 nanomètres, et une barrière métallique inférieure pour régler l’émission du champ électrique. L’échelle nanométrique de l’entrefer est inférieure au libre parcours moyen des électrons dans l’air, d’où les électrons se déplacent dans l’air à température ambiante sans diffusion.
« À la différence des transistors conventionnels qui doivent être montés en vrac de silicium, notre dispositif est une approche de fabrication de bas en haut à partir d’un substrat. Cela nous permet de construire des réseaux de transistors entièrement en 3D, si nous pouvons définir des ouvertures d’air optimales », A déclaré Shruti Nirantar, auteur principal d’un article sur ce nouveau transistor publié ce mois-ci dans Nano Letters. “Cela signifie que nous pouvons arrêter de poursuivre la miniaturisation, et se concentrer plutôt sur une architecture 3D compacte, permettant d’intégrer plus de transistors par unité de volume.”
L’utilisation du métal et de l’air à la place des semi-conducteurs pour les principaux composants du transistor présente un certain nombre d’autres avantages, affirme Nirantar, candidate au doctorat au sein du groupe de recherche sur les matériaux et les microsystèmes fonctionnels du RMIT.
Plus simple à fabriquer
La fabrication devient essentiellement une seule étape de pose de l’émetteur et du collecteur et de la définition de l’entrefer, et bien que les procédés de fabrication standard de silicium soient utilisés pour produire des ACTs, le nombre d’étapes de traitement est beaucoup moins élevé, étant donné que le dopage, le traitement thermique, l’oxydation et la formation de silicides sont inutiles. Par conséquent, les coûts de production devraient être considérablement réduits.
De plus, en remplaçant le silicium par du métal, ces dispositifs ACT peuvent être fabriqués sur n’importe quelle surface diélectrique (isolant électrique). « Les appareils peuvent être construits sur du verre, du plastique et des élastomères », explique M. Nirantar. “Pour qu’ils puissent être utilisés dans des appareils flexibles et portables. »
Le remplacement des transistors à canaux solides dans les circuits spatiaux est une autre application potentielle. Parce que les électrons circulent entre les électrodes aussi bien dans le vide (pensez aux tubes à vide) que dans l’air, le rayonnement ne modulera pas les propriétés des canaux, ce qui rend les dispositifs ACT appropriés pour une utilisation dans des environnements de rayonnement extrêmes comme dans l’espace.
Une validation de principe
Maintenant que les chercheurs disposent d’une validation de principe, la prochaine étape consiste à accroître la stabilité et à améliorer l’efficacité des composants en testant différentes configurations en utilisant des matériaux plus solides. En fabriquant des ACT prototypes, les chercheurs ont utilisé la lithographie par faisceau d’électrons et le dépôt de couches minces, tandis que le tungstène, l’or et le platine ont été évalués comme des métaux de choix.
« Nous devons également optimiser la tension de fonctionnement alors que les embouts métalliques de l’électrode subiront une fusion localisée due à des champs électriques concentrés », note Nirantar. “Cela diminue leur efficacité d’émission. Nous étudions donc des conceptions qui augmenteront l’efficacité du collecteur pour réduire la pression sur l’émetteur. Elle croit que cela pourra être accompli au cours des deux prochaines années.
Une vitesse de l’ordre du térahertz
En regardant plus loin, elle fait remarquer que la vitesse théorique d’un ACT est de l’ordre du térahertz, soit environ 10 000 fois plus rapide que la vitesse à laquelle fonctionnent les dispositifs actuels à semi-conducteurs – qui dépassent difficilement les cinq gigahertz . « Il faut donc poursuivre les recherches pour trouver et démontrer les limites opérationnelles de ses ACTs », ajoute-t-elle.
En ce qui concerne la commercialisation, Nirantar affirme que l’accès à des installations de fabrication industrielle et le soutien de l’industrie pour passer à des réseaux 3D seront nécessaires. “Avec une telle aide et un financement de recherche suffisant, il est possible de mettre au point des transistors de voie à émissions atmosphériques de qualité commerciale sur le terrain au cours de la prochaine décennie. Avec les bons partenaires, cela pourrait se produire encore plus rapidement. », explique Nirantar.
Optimiser le processus de fabrication
Toutefois bien que tout cela soit très prometteur, cette technologie n’arrivera pas demain matin dans nos appareils électroniques, comme les ordinateurs, les smartphones, et tout le reste, car il faut encore améliorer le processus de fabrication.
Source : IEEE Spectrum