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Futur : la course aux transistors en graphène

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

Taille des transistors

Image 1 : Futur : la course aux transistors en graphèneTransistor utilisant un nanotube de carbone de 9 nm comme canal (source : Nano Letters)IBM a présenté cette année le plus petit transistor au monde utilisant un nanotube de carbone de 9 nm comme canal entre la source et le drain (cf. « Un transistor de 9 nm en nanotube de carbone »). C’est la première fois que des scientifiques offraient des résultats concrets avec des nanotubes de carbone à moins de 10 nm. Pour mémoire, le nanotube de carbone est une feuille de graphène enroulée pour former un tube aux propriétés électriques très avantageuses.

Le transistor en nanotube de carbone et ses défis

Ces résultats sont tout d’abord très symboliques, car ils dépassent la limite physique du silicium qui est estimée à 11 nm et qui devrait en principe être atteinte autour de 2020. De plus, le transistor démontré demande beaucoup moins d’énergie (0,5 V) qu’un modèle fabriqué aujourd’hui (on dépasse souvent le volt).

Les défis sont néanmoins nombreux, car si la fabrication d’un circuit intégré en graphène reste complexe, la production d’un transistor utilisant un nanotube de carbone comme canal est infiniment plus difficile. Il faut d’abord poser une couche isolante sur laquelle reposera le nanotube. Il faut ensuite ajouter la grille, sans endommager la feuille de graphène roulée. Pour arriver à ses fins, IBM a créé un long nanotube, puis a apposé plusieurs grilles et contacts, créant ainsi des transistors de plusieurs tailles, jusqu’à ce qu’il arrive à 9 nm. C’est un procédé très primitif qui manque de régularité et de contrôle. C’est un premier pas important vers la démocratisation des transistors en carbone, mais nous sommes encore loin d’une méthode de production en masse.

L’autre défi consiste à produire systématiquement des nanotubes utilisant du carbone et des métaux afin d’être semi-conducteurs. Il faut aussi réussir à les aligner parfaitement pour éviter la création de courts-circuits, ce qui est loin d’être une mince affaire aujourd’hui. C’est pour cela que certains chercheurs explorent d’autres pistes.

Image 2 : Futur : la course aux transistors en graphèneUn microscope à force atomique sur un wafer en graphèneGraver un circuit de 12 nm de largeur sur un wafer en carbure de silicium

Deux ans auparavant, des chercheurs américains, coréens et français ont publié une méthode permettant de graver des circuits d’une largeur de 12 nm sur du graphène. Si la méthode présentée à peu de chance d’être utilisée un jour dans des usines en raison de sa complexité, elle offre des informations précieuses sur le comportement du graphène qui pourraient être appliquées à d’autres techniques de fabrication.

Les scientifiques ont utilisé un wafer en carbure de silicium sur lequel ils ont produit une couche de graphène par épitaxie, tout comme IBM avant eux. Ces couches vont être oxydées pour créer une surface d’oxyde de graphène de plusieurs nanomètres d’épaisseur recouvrant la surface à graver. Les scientifiques ont ensuite utilisé le bout d’un microscope à force atomique chauffé qu’ils ont fait glisser sur l’oxyde de graphène. La chaleur va provoquer une réaction chimique qui va révéler le graphène et laisser place à des circuits hautement conducteurs. Cette technique dite de nanolithographie thermochimique est possible, car le graphène a un faible coefficient de friction. Le microscope à force atomique ne le déchire donc pas ou ne l’endommage pas.

Pour que cette solution soit viable, il faudrait une matrice de microscopes à force atomique chauffés à 130 °C apposés sur le wafer et venant graver simultanément les circuits de plusieurs dies à la fois. Cette méthode serait coûteuse et peu pratique, mais elle montre les avantages présents lorsque l’on utilise une couche d’oxyde de graphène comme surface résistante et protectrice. C’est une approche différente de celle qu’utilise IBM avec ses circuits en graphènes qui sont protégés par du Plexiglas et de la résine. Bref, une des leçons que l’on peut déjà tirer est que l’un des grands défis des chercheurs consiste à trouver les matériaux qui permettront de travailler avec le graphène, comme nous allons le voir à la page suivante.

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