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Futur : la course aux transistors en graphène

1 : Introduction 2 : Interview avec Alexandru Delamoreanu 3 : Interview avec Alexandru Delamoreanu (suite) 5 : Fréquences des transistors 6 : Taille des transistors 7 : Matériaux des transistors 8 : Fabrication des transistors (1ère partie) 9 : Fabrication des transistors (2e partie) 10 : Comportement du graphène 11 : Conclusion

Wafers

Image 1 : Futur : la course aux transistors en graphèneLe circuit en graphène d’IBM (les carrés sont les bobines. Le transistor est en bas du die)La fabrication de transistors en graphène passe nécessairement par la création de circuits intégrés qui vont jouer le rôle de canaux entre la source et le drain. Pour la première fois en juin 2011, IBM a montré le premier convertisseur de fréquences radio regroupant un transistor et deux bobines reposant sur un circuit intégré en graphène (cf. « Avancée majeure : IBM signe le premier die en graphène »).

Ce papier est sans doute l’un de ceux qui marqueront le plus l’histoire des transistors en graphène, car il montre qu’un circuit intégré utilisant du graphène est non seulement possible, mais viable. Jusqu’à présent, les scientifiques qui avaient créé ce type de puces avaient placé les transistors et bobines à l’extérieur du wafer contenant le circuit en graphène. La raison est que les métaux qui sont nécessaires à leur création (l’aluminium, l’or ou le palladium, par exemple) adhèrent très mal au graphène. L’autre problème est que la finesse du graphène le rend sensible au processus d’excavation qui consiste à retirer la couche photosensible qui le recouvre à l’aide d’une réaction chimique.

Un wafer en carbure de silicium

Big Blue a dépassé ces difficultés en utilisant un wafer composé de carbure de silicium au lieu d’une galette en silicium pur et une couche protectrice en Plexiglas et résine. Le carbure de silicium est un cristal composé d’atomes de silicium et carbone. Il tolère des températures de plus de 1 700 °C, ses atomes ont une structure hexagonale similaire à celle du graphène et il peut être dopé afin d’améliorer sa conductivité. Il est très souvent utilisé pour la création de graphène, parce que lorsqu’il est chauffé, les atomes de silicium laissent place aux atomes de carbones qui pourront alors être arrangés pour former une feuille de graphène. La méthode est simple, mais il faut que le matériau soit extrêmement pur où le résultat aura de nombreux défauts qui seront néfastes au bon fonctionnement de l’ensemble.

En l’espèce, IBM a utilisé l’épitaxie. Très schématiquement, il a apposé une foule d’atomes de carbone sur la face du carbure de silicium contenant les atomes de silicium. La structure cristalline du carbure de silicium étant identique à celle du graphène, les atomes de carbone se placent sur les atomes de silicium et adoptent la même structure cristalline pour former une feuille de graphène. Il a répété le processus plusieurs fois pour obtenir une couche solide qui pourra être utilisée comme élément conducteur et servir de canal entre la source et le drain.

Image 2 : Futur : la course aux transistors en graphèneLa puce d’IBMUne couche protectrice en Plexiglas et résine

Le papier présenté en 2011 montrait qu’il était possible de créer un circuit intégré en utilisant une couche de Plexiglas de 140 nm couplée à une couche de résine (silsesquioxane d’hydrogène) de 20 nm. Ce film réagit à un faisceau à électron qui va dessiner les motifs du circuit sur le graphène. L’ensemble est ensuite trempé dans de l’acétone et les parties exposées au faisceau se retirent pour laisser place au graphène. Cette couche permet d’apposer les composants et les contacts et travailler avec le graphène pour obtenir une puce fonctionnelle.

Le produit fini était loin d’avoir les mêmes caractéristiques qu’un modèle classique en silicium. Il était gravé en 300 nm, la couche isolante du transistor était énorme (20 nm) et la grille avait une longueur de 550 nm. Le circuit intégré devait enfin être très simple. Néanmoins, la puce a aussi montré des aspects très intéressants. Elle a pu fonctionner à des températures allant de 26,85 °C à 126,85 °C sans perte notoire de performance. Cela signifie que contrairement à un circuit en silicium, le modèle en graphène est très peu affecté par la chaleur, ce qui simplifie grandement les designs qui tournaient en l’espèce à une fréquence impressionnante de 10 GHz. Pour arriver à concevoir et fabriquer ce circuit en graphène, IBM a franchi une étape importante un an auparavant en créant un transistor tournant à une fréquence de 100 GHz.

Sommaire :

  1. Introduction
  2. Interview avec Alexandru Delamoreanu
  3. Interview avec Alexandru Delamoreanu (suite)
  4. Wafers
  5. Fréquences des transistors
  6. Taille des transistors
  7. Matériaux des transistors
  8. Fabrication des transistors (1ère partie)
  9. Fabrication des transistors (2e partie)
  10. Comportement du graphène
  11. Conclusion