Les transistors à nanotubes de carbone passent du laboratoire à l’usine

Les transistors à nanotubes de carbone sont un pas de plus vers la réalité commerciale, maintenant que les chercheurs du MIT ont démontré que ces dispositifs peuvent être fabriqués rapidement dans des installations commerciales, avec le même équipement que celui utilisé pour fabriquer les transistors à base de silicium qui sont l’épine dorsale de l’industrie informatique actuelle.

Les transistors à effet de champ à nanotubes de carbone ou CNFET sont plus économes en énergie que les transistors à effet de champ en silicium et pourraient être utilisés pour construire de nouveaux types de microprocesseurs tridimensionnels. Mais jusqu’à présent, ils ont surtout existé dans un espace « artisanal », fabriqués en petites quantités dans des laboratoires universitaires.

Dans une étude publiée le 1er juin dans Nature ElectronicsCependant, les scientifiques montrent comment les CNFET peuvent être fabriqués en grandes quantités sur des plaquettes de 200 millimètres qui sont la norme industrielle dans la conception des puces informatiques. Les CNFET ont été créés dans une usine commerciale de fabrication de silicium et une fonderie de semi-conducteurs aux États-Unis.

Après avoir analysé la technique de dépôt utilisée pour fabriquer les CNFET, Max Shulaker, professeur adjoint de génie électrique et d’informatique au MIT, et ses collègues ont apporté quelques modifications pour accélérer le processus de fabrication de plus de 1 100 fois par rapport à la méthode traditionnelle, tout en réduisant le coût de production. La technique a permis de déposer des nanotubes de carbone bord à bord sur les plaquettes, avec des réseaux CFNET de 14 400 par 14 400 répartis sur plusieurs plaquettes.

M. Shulaker, qui conçoit des CNFET depuis l’époque de son doctorat, affirme que la nouvelle étude représente « un pas de géant, pour faire ce saut dans les installations au niveau de la production ».

Combler le fossé entre le laboratoire et l’industrie est une chose que les chercheurs « n’ont pas souvent l’occasion de faire », ajoute-t-il. « Mais c’est un test décisif pour les technologies émergentes ».

Parmi les autres chercheurs du MIT qui participent à l’étude, citons l’auteur principal Mindy D. Bishop, doctorante dans le programme de sciences et technologies de la santé du Harvard-MIT, ainsi que Gage Hills, Tathagata Srimani et Christian Lau.

Résoudre le problème des spaghettis

Pendant des décennies, les améliorations apportées à la fabrication des transistors à base de silicium ont fait baisser les prix et augmenté l’efficacité énergétique de l’informatique. Cette tendance pourrait toutefois toucher à sa fin, car le nombre croissant de transistors intégrés dans les circuits intégrés ne semble pas augmenter l’efficacité énergétique à un rythme historique.

Les CNFET sont une technologie alternative attrayante car ils sont « environ un ordre de grandeur plus efficaces sur le plan énergétique » que les transistors à base de silicium, explique M. Shulaker.

Contrairement aux transistors à base de silicium, qui sont fabriqués à des températures d’environ 450 à 500 degrés Celsius, les CNFET peuvent également être fabriqués à des températures proches de celles de la pièce. « Cela signifie que vous pouvez en fait construire des couches de circuits juste au-dessus de couches de circuits précédemment fabriquées, pour créer une puce tridimensionnelle », explique M. Shulaker. « Vous ne pouvez pas faire cela avec une technologie à base de silicium, car vous feriez fondre les couches en dessous ».

Une puce informatique 3D, qui pourrait combiner des fonctions de logique et de mémoire, devrait « battre par des ordres de grandeur les performances d’une puce 2D de pointe en silicium », dit-il.

L’un des moyens les plus efficaces de construire des CFNET en laboratoire est une méthode de dépôt de nanotubes appelée incubation, où une plaquette est submergée dans un bain de nanotubes jusqu’à ce que les nanotubes collent à la surface de la plaquette.

La performance du CNFET est dictée en grande partie par le processus de dépôt, explique M. Bishop, qui affecte à la fois le nombre de nanotubes de carbone à la surface de la plaquette et leur orientation. Ils sont « soit collés sur la plaquette dans des orientations aléatoires comme les spaghettis cuits, soit tous alignés dans la même direction comme les spaghettis non cuits encore dans l’emballage », dit-elle.

L’alignement parfait des nanotubes dans un CNFET permet d’obtenir des performances idéales, mais l’alignement est difficile à obtenir. « Il est vraiment difficile de déposer des milliards de minuscules nanotubes de 1 nanomètre de diamètre dans une orientation parfaite sur une grande plaquette de 200 millimètres », explique M. Bishop. « Pour replacer ces échelles de longueur dans leur contexte, c’est comme essayer de couvrir tout l’état du New Hampshire avec des spaghettis secs parfaitement orientés ».

La méthode d’incubation, bien que pratique pour l’industrie, n’aligne pas du tout les nanotubes. Ils finissent sur la gaufrette comme des spaghettis cuits, ce que les chercheurs ne pensaient pas au départ pouvoir fournir des performances suffisamment élevées au CNFET, explique M. Bishop. Cependant, après leurs expériences, elle et ses collègues ont conclu que le simple processus d’incubation permettrait de produire un CNFET qui pourrait surpasser un transistor à base de silicium.

Les CNFET au-delà du gobelet

Des observations minutieuses du processus d’incubation ont montré aux chercheurs comment modifier le processus pour le rendre plus viable pour la production industrielle. Par exemple, ils ont découvert que le cycle à sec, une méthode d’assèchement intermittent de la plaquette immergée, pouvait réduire considérablement la durée d’incubation – de 48 heures à 150 secondes.

Une autre nouvelle méthode appelée ACE (concentration artificielle par évaporation) consiste à déposer de petites quantités de solution de nanotubes sur une plaquette au lieu de l’immerger dans un réservoir. L’évaporation lente de la solution a augmenté la concentration des nanotubes de carbone et la densité globale des nanotubes déposés sur la plaquette.

Ces changements étaient nécessaires avant que le processus ne puisse être testé à l’échelle industrielle, explique M. Bishop : « Dans notre laboratoire, nous pouvons laisser une gaufre reposer pendant une semaine dans un bécher, mais pour une entreprise, ce n’est pas un luxe ».

Les « tests élégamment simples » qui les ont aidés à comprendre et à améliorer la méthode d’incubation, dit-elle, « se sont avérés très importants pour répondre à des préoccupations que les universitaires n’ont peut-être pas, mais certainement l’industrie, lorsqu’ils envisagent de mettre en place un nouveau processus ».

Les chercheurs ont travaillé avec Analog Devices, une usine commerciale de fabrication de silicium, et SkyWater Technology, une fonderie de semi-conducteurs, pour fabriquer des CNFET en utilisant la méthode améliorée. Ils ont pu utiliser les mêmes équipements que ceux utilisés par les deux installations pour fabriquer des plaquettes à base de silicium, tout en s’assurant que les solutions de nanotubes répondaient aux exigences strictes des installations en matière de produits chimiques et de contaminants.

« Nous avons eu l’immense chance de travailler en étroite collaboration avec nos collaborateurs industriels, de connaître leurs exigences et d’itérer notre développement avec leur contribution », déclare M. Bishop, qui souligne que le partenariat les a aidés à mettre au point un processus automatisé, à haut volume et à faible coût.

Les deux installations ont fait preuve d’un « engagement sérieux dans la recherche et le développement et dans l’exploration des technologies émergentes », ajoute M. Shulaker.

Les prochaines étapes, déjà en cours, consisteront à construire différents types de circuits intégrés à partir de CNFET dans un cadre industriel et à explorer certaines des nouvelles fonctions qu’une puce 3D pourrait offrir, dit-il. « Le prochain objectif est de passer d’un intérêt académique à quelque chose qui sera utilisé par les gens, et je pense que c’est un pas très important dans cette direction ».