Des puces hybrides Silicium-Nitrure de Gallium pour des transistors plus rapides

Dans la recherche en microélectronique les chercheurs ont souvent essayé de combiner des matériaux semiconducteurs ayant des propriétés différentes et potentiellement complémentaires, pour améliorer les performances des puces classiques. Une équipe du MIT, menée par Tomas Palacios, assistant professeur au Department of Electrical Engineering and Computer Science, a réussi dans cet effort d'hybridation, ce qui donne un bon espoir de repousser un peu la barrière de la vitesse et de la miniaturisation des transistors dans la microélectronique d'aujourd'hui.


Le matériau semiconducteur le plus utilisé dans la microélectronique est le silicium, et l'augmentation de la cadence des processeurs augmentait jusqu'à maintenant grossièrement en mettant plus de transistors sur une puce, donc en les faisant de plus en plus petits. Mais les technologies d'impression de transistors sur le silicium atteignent maintenant leurs limites, et les ingénieurs et scientifiques pensent à remplacer le silicium par, par exemple, du carbone (nanotubes, graphène). Cependant on est encore loin du tout carbone pour nos puces électroniques. Cette équipe du MIT a donc pensé à l'hybridation du silicium et du nitrure de gallium, pour utiliser d'autres semiconducteurs ayant de meilleures performances que le silicium en terme de rapidité de transport des électrons. Il était jusqu'à maintenant impossible de mettre dans la même puce du silicium et un autre semiconducteur.

Un microprocesseur aujourd'hui peut contenir plus d'un milliard de transistors identiques, mais les chercheurs font face à plusieurs problèmes lorsqu'ils essaient d'intégrer le même nombre de transistors sur un autre matériau semiconducteur. Ils peuvent en faire un, dix voire quelques centaines, qui sont certes très rapides, mais en quantité bien trop faible. Les industries de la microélectronique ont passé des décennies et des milliards de dollars pour faire du silicium la technologie la plus efficace et la plus sûre. Etant donnés la durée et le prix des procédés de développement, il est dur pour un nouveau matériau de venir concurrencer le roi silicium.

Cependant, les chercheurs se sont penchés sur le fait que la plupart des transistors sur une puce, par exemple sur de la mémoire flash, n'ont pas réellement besoin de fonctionner à la vitesse maximum. Seuls un petit nombre, de 5 à 10%, travaillent et ont besoin de fonctionner à leur vitesse maximum. La solution que Palacios et son étudiant Will Chung ont développée est d'utiliser le silicium pour la majorité des transistors, ceux qui travaillent moins, et le nitrure de gallium pour le petit nombre qui travaille à haut débit, tout ceci sur le même substrat silicium.

Au lieu d'essayer de fabriquer les transistors haute performance sur les transistors classiques, Palacios et Chung ont fait cette puce hybride en enchâssant la couche de nitrure de gallium dans le substrat en silicium. Cela permet non seulement des puces plus rapides, mais aussi plus énergétiquement efficaces (les transistors travaillant moins rapidement consomment moins d'énergie). De plus, les puces peuvent être fabriquées en utilisant les standards de l'industrie du silicium.

Pour le moment, la nouvelle technique a été utilisée pour la fabrication de puces dont la taille est d'un pouce carré (6.4 cm2). Les substrats standards utilisés dans l'industrie sont de 8 ou 12 pouces de diamètre, ce qui reste un obstacle à franchir pour l'équipe, mais les chercheurs semblent confiants. Ils sont en discussion avec différentes compagnies pour la commercialisation de cette technologie et pour fabriquer des circuits plus complexes.

Cela pourrait aussi ouvrir la porte à d'autres applications, par exemple à une nouvelle classe de systèmes hautes fréquence, ou des hybrides qui combinent laser et électronique en une puce unique, ou encore des systèmes de glanage d'énergie. De tels systèmes hybrides pourraient ainsi améliorer les téléphones portables qui utilisent des circuits haute fréquence. Aujourd'hui, les téléphones utilisent en général au moins quatre à cinq puces séparées faites de différents matériaux semiconducteurs. Avec cette technologie, il serait possible d'intégrer toutes ces fonctions dans une seule et même puce.