Illustration artistique des transistors à oxyde métallique empilés sur 10. Crédit : Yuvaraja et al.
Les transistors sont des composants essentiels de nombreux appareils électroniques, qui servent à amplifier et à commuter les signaux électriques. L’un des principaux objectifs de l’industrie électronique est de continuer à améliorer les performances et l’efficacité énergétique des transistors, tout en réduisant leur taille.
Des chercheurs de l’Université des sciences et technologies du roi Abdallah (KAUST) ont récemment développé de nouveaux transistors intégrés tridimensionnels (3D) qui peuvent être empilés verticalement les uns sur les autres. Selon leur conception proposée, présentée dans un article publié dans Électronique naturelleils ont pu empiler le plus grand nombre de transistors à ce jour, ce qui pourrait se traduire par une amélioration significative des performances de l’électronique.
« Notre article récent, qui présente le plus grand nombre de transistors à oxyde métallique empilés au monde, est né du besoin urgent de surmonter les limitations des transistors planaires traditionnels », a déclaré Xiaohang Li, co-auteur de l’article, à TechXplore. « À mesure que la technologie évolue, la demande pour des appareils électroniques plus puissants, plus efficaces et plus compacts continue de croître. Cependant, les transistors planaires conventionnels atteignent leurs limites physiques et de performance, ce qui limite leur capacité à répondre à ces exigences. C’est ce que l’on appelle également le ralentissement de la loi de Moore. »
Li et ses collègues ont travaillé à surmonter les défis connus qui affectent l’industrie des semi-conducteurs, tels que le ralentissement de la loi de Moore et la recherche de nouveaux matériaux ou de nouvelles conceptions susceptibles d’améliorer encore les performances des transistors. Ils ont ainsi exploré des approches nouvelles et uniques qui vont au-delà de la conception 2D des transistors conventionnels.
Dans leurs travaux récents, ils ont notamment évalué la possibilité d’empiler les transistors verticalement. Cette approche consiste essentiellement à empiler les transistors les uns sur les autres, ce qui pourrait augmenter la densité des transistors et par conséquent améliorer les performances de l’électronique.
« Le premier objectif de notre étude était d’augmenter la densité des transistors », explique Li. « En développant une technologie à faible budget thermique et à faible rugosité interfaciale, nous avons mis au point un transistor semi-conducteur composé de 10 nanomètres d’épaisseur ; notre objectif était de maximiser l’utilisation de l’espace de la plaquette. Cette approche d’empilement vertical permet d’intégrer davantage de transistors dans une zone donnée, ce qui améliore considérablement la puissance et l’efficacité du traitement. »
La conception introduite par cette équipe de chercheurs consiste à empiler dix couches d’oxyde d’indium (In2O3) transistors à couches minces (TFT) verticalement sur silicium/dioxyde de silicium compatible CMOS (Si/SiO2) substrats. Cette conception verticale maximise l’utilisation de l’espace de la plaquette, ce qui se traduit par une densité de transistors supérieure par rapport aux conceptions planaires.
« Les transistors sont disposés dans une structure multicouche, où chaque couche fonctionne indépendamment, mais ensemble, elles contribuent à la performance globale », a déclaré Li. « Nous avons choisi l’oxyde d’indium (In2O3) pour le matériau semi-conducteur en raison de ses excellentes propriétés électriques et de sa compatibilité avec le traitement à température ambiante. Pour la couche diélectrique, nous avons sélectionné le parylène-C, qui peut être déposé à température ambiante et offre une isolation efficace.
Pour fabriquer leurs transistors, les chercheurs ont d’abord déposé une fine couche d’In2O3 sur une plaquette de silicium/dioxyde de silicium. Cette couche déposée forme le canal à travers lequel circule le courant électrique.
“Après l’In2O3 « Nous avons déposé une couche de parylène-C », a expliqué Li. « Ce matériau sert de diélectrique, isolant chaque couche de transistor et empêchant les interférences électriques entre les couches. »
Chaque couche du transistor de l’équipe a été modelée à l’aide d’un processus avancé de lithographie en 72 étapes. Ce processus est nettement plus complexe que le processus classique en 10 étapes utilisé pour modeler les couches dans des structures électroniques plus simples.
« Chaque étape nécessitait un alignement précis et une optimisation de la dose pour garantir l’intégrité et les performances de chaque couche », a expliqué Li.
Les chercheurs ont répété plusieurs fois les étapes de dépôt et de modelage, jusqu’à obtenir dix couches de transistors empilées. Chacune de ces couches a été soigneusement alignée avec les autres pour assurer le bon fonctionnement du dispositif et les connexions entre elles.
La nouvelle conception verticale introduite par cette équipe de chercheurs permet une plus grande densité de transistors dans une zone donnée. Cela se traduit par une puissance de traitement et une efficacité supérieures.
“Les deux In2O3 et les couches de parylène-C sont traitées à température ambiante, ce qui rend le processus de fabrication plus économe en énergie et compatible avec les techniques de fabrication de semi-conducteurs existantes”, a déclaré Li. “Les caractéristiques électriques de nos transistors, y compris une mobilité d’effet de champ maximale de 15 cm2/V-1m-1une pente sous-seuil de 0,4 V/déc-1et un rapport marche/arrêt actuel allant jusqu’à 108surpassent celles de nombreux transistors à couches minces existants. Cela se traduit par des vitesses de commutation plus rapides, une consommation d’énergie plus faible et des performances globales améliorées.
La conception innovante du transistor présentée dans cet article récent a été utilisée jusqu’à présent pour développer des transistors hautes performances et haute densité à dix couches verticales, mais leur densité pourrait encore être augmentée au fil du temps. Les efforts de l’équipe pourraient ainsi contribuer à l’amélioration continue de l’électronique.
“Il est à noter que tant l’In2O3 « Les matériaux semi-conducteurs et diélectriques à base de parylène-C peuvent être traités à température ambiante », a déclaré Li. « Il s’agit d’une avancée cruciale car elle rend le processus de fabrication plus économe en énergie et compatible avec les techniques de fabrication de semi-conducteurs existantes. »
Lors des premiers tests, les transistors développés par Li et ses collègues ont atteint des performances électroniques remarquables, notamment une mobilité d’effet de champ maximale de 15 cm2/V-1m-1une pente sous-seuil de 0,4 V/déc-1 et un rapport marche/arrêt actuel allant jusqu’à 108Ces mesures surpassent celles de nombreux transistors à couches minces existants, tout en permettant des vitesses de commutation plus rapides et une consommation d’énergie plus faible.
« Notre technologie peut considérablement bénéficier à l’industrie des appareils mobiles en permettant le développement de smartphones, de tablettes et d’appareils portables de nouvelle génération avec des performances supérieures et une durée de vie de la batterie plus longue », a déclaré Li. « L’écosystème IoT nécessite également des appareils compacts et économes en énergie capables de traiter les données en temps réel. Les hautes performances et la faible consommation d’énergie de nos transistors les rendent parfaitement adaptés à diverses applications IoT, des maisons intelligentes à l’automatisation industrielle. »
Les transistors développés par l’équipe pourraient également trouver une application dans le domaine de l’intelligence artificielle (IA) et de l’apprentissage automatique (ML). La formation et le déploiement de ces outils informatiques nécessitent une puissance de calcul importante et un traitement efficace des données, qui pourraient être pris en charge par les transistors développés par les chercheurs.
« Au-delà des appareils mobiles, notre technologie peut améliorer une large gamme d’appareils électroniques grand public, notamment les appareils domestiques intelligents, les consoles de jeu et les systèmes de réalité augmentée/virtuelle (AR/VR) », a déclaré Li. « L’amélioration des performances et de l’efficacité énergétique peut conduire à des expériences utilisateur plus réactives et plus immersives. Nos transistors à 10 piles peuvent également contribuer au développement de l’électronique automobile, en fournissant la puissance de calcul et la fiabilité nécessaires. »
À l’avenir, les transistors empilés verticalement pourraient également être utilisés pour développer des dispositifs médicaux plus avancés et plus compacts, tels que des outils de diagnostic, des biocapteurs, des technologies implantables et des moniteurs de santé portables. En attendant, Li et ses collègues prévoient d’explorer d’autres stratégies pour réduire encore la taille des transistors sans compromettre leurs performances.
« L’un de nos principaux objectifs pour les recherches futures sera de réduire la taille des transistors, de l’échelle actuelle du micron à l’échelle nanométrique », a ajouté Li. « Cela permettra d’augmenter encore la densité des transistors, ce qui permettra des performances encore plus élevées et des conceptions d’appareils plus compactes. Nous explorons également de nouvelles techniques et topologies d’appareils pour réduire encore davantage la consommation d’énergie, tout en travaillant à améliorer la fiabilité et la stabilité de nos transistors, car cela pourrait faciliter leur déploiement. »
Plus d’information:
Saravanan Yuvaraja et al, Transistors à oxyde métallique intégrés tridimensionnels, Électronique naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41928-024-01205-0.
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Citation:Nouveaux transistors métal-oxyde intégrés en 3D pour fabriquer des composants électroniques compacts et à haute densité (30 juillet 2024) récupéré le 30 juillet 2024 à partir de
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