Germanium-étain : le futur des puces électroniques ?

Au cours des sept décennies passées, la loi de Moore a été vérifiée, doublant le nombre de transistors sur une puce environ tous les deux ans. Les circuits sont devenus plus petits proportionnellement, mais la fin de cette évolution approche.

« Nous avons atteint un point où les structures ne mesurent plus que 2 à 3 nanomètres, soit environ 10 atomes de diamètre, atteignant la limite de faisabilité« , déclare Qing-Tai Zhao de l’Institut Peter Grünberg (PGI-9) du Forschungszentrum Jülich.

Les chercheurs explorent depuis un certain temps des alternatives au silicium, le matériau clé utilisé dans l’industrie des semi-conducteurs. « L’objectif est de trouver un matériau ayant des propriétés électroniques plus avantageuses et permettant d’obtenir les mêmes performances avec des structures plus grandes« , explique le professeur.

Les recherches se concentrent en partie sur le germanium, qui était déjà utilisé au début de l’ère informatique. Les électrons se déplacent plus rapidement dans le germanium que dans le silicium, du moins en théorie. Qing-Tai Zhao et son équipe ont poussé l’innovation en incorporant des atomes d’étain au réseau cristallin du germanium. Cette méthode a été développée il y a plusieurs années à l’Institut Peter Grünberg (PGI-9) du Forschungszentrum Jülich.

« Le système germanium-étain testé permet de surpasser les limites physiques de la technologie du silicium« , explique Qing-Tai Zhao. Dans les expériences, le transistor germanium-étain a montré une mobilité des électrons 2,5 fois supérieure à celle d’un transistor en germanium pur.

Un autre avantage de ce nouvel alliage est sa compatibilité avec le processus CMOS existant pour la fabrication des puces. Le germanium et l’étain appartiennent au même groupe principal que le silicium dans le tableau périodique. Ainsi, les transistors germanium-étain pourraient être intégrés directement dans les puces en silicium conventionnelles avec les lignes de production existantes.

Outre les ordinateurs numériques traditionnels, les ordinateurs quantiques pourraient également bénéficier du transistor germanium-étain. Depuis un certain temps, l’intégration d’une partie de l’électronique de contrôle directement sur la puce quantique est recherchée. Ces puces fonctionnent à des températures proches du zéro absolu. Les mesures suggèrent qu’un transistor germanium-étain serait nettement plus performant dans ces conditions que ceux en silicium.

« Le défi consiste à trouver un semi-conducteur dont la commutation reste très rapide avec de faibles tensions à des températures très basses« , commente Qing-Tai Zhao. Pour le silicium, cette courbe de commutation s’aplatit en dessous de 50 kelvins. Les transistors nécessitent alors une tension élevée et donc une forte puissance, entraînant des défaillances des bits quantiques sensibles en raison de l’échauffement. « Le germanium-étain offre de meilleurs résultats à ces températures dans des mesures effectuées jusqu’à 12 kelvins, et il est espéré que ce matériau puisse être utilisé à des températures encore plus basses« , précise encore Qing-Tai Zhao.

De plus, le transistor germanium-étain représente un pas de plus vers la transmission optique de données sur puce. La transmission d’informations par signaux lumineux est déjà la norme dans de nombreux réseaux de données, car elle est considérablement plus rapide et plus économe en énergie que le transfert de données par conducteurs électriques. Cependant, dans le domaine de la micro- et de la nanoélectronique, les données sont encore généralement transmises par voie électrique.

es collègues du groupe de travail de Jülich dirigé par le Dr Dan Buca ont déjà développé par le passé un laser germanium-étain qui offre la possibilité de transmettre des données par voie optique directement sur une puce de silicium. Avec ces lasers, le transistor germanium-étain constitue une solution prometteuse pour l’intégration monolithique de la nanoélectronique et de la photonique sur une seule puce.

Cette avancée technologique pourrait révolutionner l’industrie des semi-conducteurs et ouvrir la voie à des performances encore plus élevées pour les ordinateurs du futur. Les chercheurs du Forschungszentrum Jülich continuent d’explorer les possibilités offertes par le germanium-étain et d’autres matériaux, avec l’espoir de repousser les limites de la loi de Moore et de créer des technologies plus performantes et écoénergétiques pour un avenir numérique en constante évolution.

Légende illustration : Le processeur germanium-étain a été fabriqué dans la Helmholtz Nano Facility, la plate-forme technologique centrale pour la fabrication de nanostructures et de circuits dans la communauté Helmholtz. Crédit : Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau