Un four à micro-ondes domestique modifié par un professeur d’ingénierie de Cornell aide à préparer la prochaine génération de téléphones portables, d’ordinateurs et d’autres appareils électroniques après que l’invention ait démontré qu’elle surmontait un défi majeur auquel était confrontée l’industrie des semi-conducteurs.
James Hwang, professeur-chercheur au Département de science et génie des matériaux, à droite, à son micro-ondes modifié avec Gianluca Fabi tenant un semi-conducteur à gauche. Crédit image : Ryan Young/Université Cornell
La recherche est détaillée dans un article publié dans Applied Physics Letters. L’auteur principal est James Hwang, professeur-chercheur au Département de science et génie des matériaux; les autres contributeurs de Cornell sont le doctorant Chandrasekhar Savant et l’ancien chercheur postdoctoral Mohammed Javad Asadi.
La production des matériaux qui composent les transistors et autres composants des micropuces est similaire à la cuisson. Les ingrédients matériels doivent être mélangés puis chauffés, entre autres étapes, pour produire un courant électrique souhaité. Par exemple, du phosphore est ajouté au silicium. Ensuite, le mélange est recuit ou chauffé pour positionner les atomes de phosphore au bon endroit pour être actifs dans la conduction du courant.
Mais à mesure que les micropuces continuent de rétrécir, le silicium doit être dopé ou mélangé avec des concentrations de phosphore plus élevées pour produire le courant souhaité. Les fabricants de semi-conducteurs approchent maintenant d’une limite critique dans laquelle le chauffage des matériaux hautement dopés à l’aide de méthodes traditionnelles ne produit plus de semi-conducteurs fonctionnels de manière cohérente.
« Nous avons besoin de concentrations de phosphore supérieures à sa solubilité à l’équilibre dans le silicium. Cela va contre nature », a déclaré Hwang. « Le cristal de silicium se dilate, provoquant une immense tension et le rendant potentiellement inutile pour l’électronique. »
La Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) avait émis l’hypothèse que les micro-ondes pouvaient être utilisées pour activer les dopants en excès, mais tout comme avec les fours à micro-ondes domestiques qui chauffent parfois les aliments de manière inégale, les précédents recuits à micro-ondes produisaient des «ondes stationnaires» qui empêchaient une activation constante des dopants. TSMC s’est donc associé à Hwang, qui a modifié un four à micro-ondes pour contrôler l’endroit où les ondes stationnaires se produisent de manière sélective. Une telle précision permet la bonne activation des dopants sans échauffement excessif ni endommagement du cristal de silicium.
Cette découverte pourrait être utilisée pour produire des matériaux semi-conducteurs et de l’électronique apparaissant vers l’an 2025, a déclaré Hwang, qui a déposé deux brevets pour le prototype de recuit micro-ondes avec le chercheur postdoctoral Gianluca Fabi.
« Quelques fabricants produisent actuellement des matériaux semi-conducteurs de 3 nanomètres », a déclaré Hwang. « Cette nouvelle approche micro-ondes peut potentiellement permettre aux principaux fabricants tels que TSMC et Samsung de réduire à seulement 2 nanomètres. »
Cette percée pourrait modifier la géométrie des transistors utilisés dans les micropuces. Depuis plus de 20 ans, les transistors sont conçus pour se tenir debout comme des nageoires dorsales afin que davantage puisse être emballé sur chaque micropuce. Pourtant, les fabricants ont récemment commencé à expérimenter une nouvelle architecture dans laquelle les transistors sont empilés horizontalement sous forme de nanofeuilles qui peuvent encore augmenter la densité et le contrôle des transistors. Les matériaux excessivement dopés permis par le recuit micro-ondes seraient la clé de la nouvelle architecture.
La source: L’Université de Cornell
