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

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Dans la recherche en microélectronique, les chercheurs ont souvent essayé de combiner des matériaux semi-conducteurs ayant des propriétés différentes et potentiellement complémentaires, pour améliorer les performances des puces classiques. Une équipe du MIT, menée par Tomas Palacios, professeur assistant au Department of Electrical Engineering and Computer Science, a réussi 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 semi-conducteur le plus utilisé dans la microélectronique est le silicium. L’augmentation de la cadence des processeurs augmentait jusqu’à présent 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 aujourd’hui leurs limites, et les ingénieurs et scientifiques pensent à remplacer le silicium par 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 semi-conducteurs ayant de meilleures performances que le silicium en terme de rapidité de transport des électrons. Mais jusqu’à maintenant, il était impossible de mettre dans la même puce du silicium et un autre semi-conducteur. Autre écueil. Un microprocesseur peut aujourd’hui 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 semi-conducteur. 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. Étant donnés la durée et le prix des procédés de développement, il est difficile, dans ces conditions, 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 consiste à utiliser le silicium pour la majorité des transistors, ceux qui travaillent moins, et le nitrure de gallium pour le petit nombre de ceux qui travaillent à haut débit, tout ceci étant sur le même substrat silicium. Au lieu d’essayer de fabriquer les transistors haute performance sur les transistors classiques, Palacios et Chung ont fabriqué cette puce hybride en enchâssant la couche de nitrure de gallium dans le substrat en silicium. Cela permet non seulement d’obtenir des puces plus rapides, mais aussi plus efficaces d’un point de vue énergétique (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’industries 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, comme par exemple à une nouvelle classe de systèmes hautes fréquence, ou à des hybrides qui combinent laser et électronique en une puce unique, ou encore à 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 semi-conducteurs. Avec cette technologie, il serait possible d’intégrer toutes ces fonctions dans une seule et même puce.

Photo : © Patrick Gillooly

Sources :
– « MIT team finds way to combine microprocessor materials », 16 Septembre 2009
– « Hybrid Chips of Gallium Nitride and Silicon », 22 Septembre 2009
– « MIT researchers build silicon/gallium nitride combo wafer », 16 Septembre 2009

Rédacteur : Alban de Lassus, [email protected]

Origine : BE Etats-Unis numéro 179 (2/10/2009) – Ambassade de France aux Etats-Unis / ADIT – http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/60701.htm