- Alors que les limites du silicium en matière de vitesse, de chaleur dégagée et de miniaturisation deviennent de plus en plus marquées, une équipe de Georgia Tech affirme qu’un semi-conducteur fonctionnel à base de graphène pourrait constituer une alternative aux ordinateurs actuels ainsi qu’aux matériaux des futurs ordinateurs quantiques
- L’élément clé est le graphène épitaxié lié au silicon carbide (SiC), que l’équipe appelle SEC ou epigraphene, et qui présenterait une mobilité électronique supérieure à celle du silicium classique
- La méthode de fabrication consiste à chauffer le SiC à plus de 1,000°C afin de faire évaporer le silicium en surface ; les coûts des équipements et matériaux du procédé sont annoncés à environ 10 dollars pour la puce, 1 dollar pour le crucible et 10 dollars pour le quartz tube
- Les dispositifs électroniques au graphène existants avaient du mal à éteindre complètement les transistors en raison de l’absence de bande interdite, mais l’équipe affirme que son SEC permet une coupure complète, exigée par l’électronique numérique
- Plutôt que de simplement l’insérer dans les lignes silicium existantes, l’équipe vise un paradigme post-silicium fondé sur le SiC ; le degré réel de maturité dépendra largement des efforts de développement à venir
L’affirmation de Georgia Tech sur un semi-conducteur à base de graphène
- Une équipe de Georgia Tech affirme avoir développé le premier semi-conducteur fonctionnel à base de graphène au monde
- Les travaux ont été publiés le 3 janvier dans Nature et sont dirigés par Walt de Heer, professeur de physique à Georgia Tech
- Le matériau central est le graphène épitaxié, une structure cristalline de carbone chimiquement liée au silicon carbide (SiC)
- L’équipe appelle ce matériau semi-conducteur semiconducting epitaxial graphene, SEC, ou epigraphene
- Le SEC présenterait une mobilité électronique plus élevée que le silicium classique, permettant aux électrons de se déplacer avec une résistance bien plus faible
Méthode de fabrication et coûts
- La méthode de fabrication est une adaptation d’une technique simple connue depuis plus de 50 ans
- Lorsqu’on chauffe le SiC à plus de 1,000°C, le silicium de surface s’évapore et la surface enrichie en carbone se transforme en graphène
- En pratique, le procédé consiste à placer un empilement de deux puces de SiC dans un graphite crucible, à l’intérieur d’un argon quartz tube
- Un courant haute fréquence est envoyé dans une copper coil autour du quartz tube
- Le graphite crucible est chauffé par induction
- Le procédé dure environ 1 heure
- Le SEC ainsi obtenu est intrinsèquement dans un état neutre en charge, et lorsqu’il est exposé à l’air, il est naturellement dopé par l’oxygène
- Ce dopage à l’oxygène peut être facilement supprimé en chauffant sous vide à environ 200°C
- Selon de Heer, les coûts sont d’environ 10 dollars pour la puce utilisée, 1 dollar pour le crucible et 10 dollars pour le quartz tube
Différences avec les approches antérieures des semi-conducteurs au graphène
- Depuis 2008, on savait déjà qu’en chauffant du SiC sous vide, il était possible de faire se comporter le graphène comme un semi-conducteur
- La méthode de de Heer se distinguerait par la formation d’une bande interdite
- Si la méthode modifiée est correctement appliquée, les liaisons se forment de manière très régulière
- L’article indique qu’une mobilité élevée a été observée
- Les dispositifs électroniques au graphène existants avaient des difficultés à allumer et éteindre les transistors à cause de l’absence de bande interdite
- Les recherches antérieures visant à rendre le graphène semi-conducteur se poursuivent depuis environ 10 ans, y compris des approches consistant à lier chimiquement des atomes au graphène pour créer une bande interdite
- De Heer estime que ces méthodes produisaient un graphène semi-conducteur à faible mobilité en raison de problèmes de structure chimique ou mécanique
Limites des approches par rubans de graphène et wrinkles
- Les graphene ribbons étaient considérés comme une approche prometteuse, mais ils ne présentent des propriétés semi-conductrices qu’à une largeur très spécifique et avec un armchair edge
- Cette condition est inversement proportionnelle à la largeur du ribbon
- Les ribbons se prêtent à une fabrication chimique, mais doivent ensuite être placés avec précision sur un substrat et interconnectés avec des metallic wires
- De Heer affirme que la technologie des graphene nanoribbons est, sur le principe, très proche de celle des semiconducting carbon-nanotubes
- Selon lui, la technologie des carbon nanotubes n’a toujours pas abouti malgré 30 ans de recherche sur les nanotubes
- Il existe aussi une approche consistant à introduire des wrinkles dans le graphène pour ouvrir une bande interdite
- Une déformation mécanique peut ouvrir une bande interdite
- Une bande interdite allant jusqu’à 0.2 electron volts a été démontrée
- La bande interdite du silicium est de 1.12 eV, donc bien plus grande
- En raison de cette faible bande interdite, le potentiel applicatif reste flou, et le manque d’informations sur la mobilité demeure un problème
Les avantages techniques mis en avant pour le SEC
- L’équipe affirme avoir créé un SEC semi-conducteur sur grande surface sur des terrasses de SiC sans défauts et atomiquement planes
- Le SiC est présenté comme un matériau électronique très avancé, facilement disponible et totalement compatible avec les procédés existants de microelectronics
- Le SEC pourrait permettre des transistors fonctionnant à des fréquences terahertz, 10 fois plus rapides que les transistors actuels à base de silicium
- La différence essentielle avec les graphene field-effect transistors (GFET) commerciaux réside dans l’utilisation ou non d’un graphène semi-conducteur
- Les GFET existants n’utilisent pas de graphène semi-conducteur et ne conviennent donc pas à l’électronique numérique, qui exige un arrêt complet du transistor
- L’équipe estime que son SEC permet une coupure totale et satisfait ainsi aux exigences strictes de l’électronique numérique
Limites du silicium et potentiel pour l’informatique quantique
- Les semi-conducteurs sont des composants clés de tous les appareils électroniques et combinent les propriétés des conducteurs et des isolants
- Le silicium, matériau semi-conducteur dominant aujourd’hui, approche de ses limites en matière de vitesse, de dissipation thermique et de miniaturisation
- De Heer estime que les progrès rapides de l’histoire de l’informatique ralentissent à cause de ces contraintes du silicium
- Le graphène est une couche unique d’atomes de carbone arrangés en réseau hexagonal, et il est considéré comme un meilleur conducteur que le silicium, ce qui favoriserait un transport électronique plus efficace
- L’équipe pense que les semi-conducteurs à base de graphène pourraient jouer un rôle important dans l’informatique quantique
- À très basse température, lorsque le graphène est utilisé dans des dispositifs, les électrons présentent des propriétés ondulatoires quantiques similaires à celles observées avec la lumière
- De Heer explique que la graphene electronics pourrait exploiter les propriétés ondulatoires quantiques des électrons et des holes, inaccessibles à la silicon electronics
- Il reste toutefois à démontrer, par des recherches supplémentaires, si les semi-conducteurs à base de graphène peuvent surpasser les technologies supraconductrices actuelles des ordinateurs quantiques avancés
Orientation du développement et défis restants
- L’équipe de Georgia Tech n’envisage pas d’intégrer ces semi-conducteurs à base de graphène dans des lignes standard de silicium ou de compound semiconductors
- L’objectif est de passer à un paradigme post-silicium fondé sur le SiC
- L’équipe développe aussi des méthodes de protection et de meilleure compatibilité avec les lignes de semi-conducteurs existantes, notamment en revêtant le SEC de boron nitride
- De Heer estime que le développement de cette technologie prendra du temps
- Il compare cette avancée au premier vol de 100 mètres des frères Wright
- Les résultats futurs dépendront surtout de l’ampleur du travail de développement qui y sera consacré
1 commentaires
Avis sur Hacker News
J’ai l’impression que l’essentiel est un peu enterré. Vers la fin, on lit que « les GFET (transistors au graphène) existants n’utilisent pas de graphène semi-conducteur, ce qui les rend inadaptés aux circuits électroniques numériques, où il faut pouvoir éteindre complètement le transistor. [...] Le matériau SEC développé par l’équipe permet une coupure complète et répond aux exigences strictes des circuits électroniques numériques »
D’après ce que j’avais entendu auparavant, c’était précisément le problème des transistors au graphène. Ils ont une réponse non linéaire, mais ne peuvent pas interrompre le flux de courant, ce qui les rend inutiles pour la logique numérique et seulement utiles pour les circuits analogiques. Cela dit, ça fait longtemps que je l’ai lu, donc quelqu’un a peut-être déjà résolu le problème
Il y a une bonne explication ici : https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/graphene...
Pour résumer le passage pertinent, les GFET sont des transistors rapides et efficaces, mais ils n’ont pas de bande interdite. Sans bande interdite, la bande de valence et la bande de conduction se rejoignent à 0 volt, ce qui fait que le graphène se comporte comme un métal. Dans les semi-conducteurs comme le silicium, l’écart entre ces deux bandes se comporte comme un isolant dans des conditions normales
En général, les électrons ont besoin d’une énergie supplémentaire pour passer de la bande de valence à la bande de conduction ; dans un FET, en l’absence de tension de polarisation, la bande qui se comporte comme un isolant permet à la tension de polarisation d’autoriser le passage du courant. Mais comme les GFET n’ont pas de bande interdite, il est difficile d’éteindre le transistor, et impossible de l’éteindre complètement ; leur rapport de courant marche/arrêt n’est donc que d’environ 5, ce qui est faible pour les opérations logiques. Cela les rend difficiles à utiliser dans les circuits numériques, mais le problème est moins gênant dans les circuits analogiques, où ils conviennent aux amplificateurs, aux circuits mixtes, etc.
Plusieurs équipes de recherche travaillent à résoudre ce problème de bande interdite avec des approches comme la résistance négative ou des techniques de fabrication par synthèse ascendante
Il y a cette phrase : « Il en résulte un transistor offrant une vitesse 10 fois supérieure à celle des transistors à base de silicium utilisés dans les puces actuelles, et capable de fonctionner à des fréquences térahertz », mais je ne comprends pas pourquoi seulement 10 fois
Nous sommes autour de quelques gigahertz, donc avec des térahertz, ça ne devrait pas être plutôt environ 100 fois plus rapide ?
À première vue, l’article ne dit pas clairement si la vitesse « térahertz » désigne la fréquence de commutation ou la fréquence de transition du gain (fT). Aujourd’hui déjà, des transistors avec une fT de plusieurs centaines de gigahertz sont tout à fait possibles
Ici, la mention des THz semble concerner les circuits analogiques, et signifie sans doute que cette nouvelle technologie serait environ 10 fois au-dessus. Pour en savoir plus, il faut regarder Fmax et Ft pour les transistors
Le problème, c’est sans doute que lorsqu’on les intègre très densément, ils chauffent trop, et que le scaling de Dennard ne permet pas d’atteindre la limite de chaque transistor individuel
Le procédé de fabrication semble plutôt respectueux de l’environnement par rapport aux catastrophes écologiques locales provoquées par la fabrication du silicium
Cela dit, il est vraiment difficile de rivaliser avec l’écosystème du silicium, qui s’est développé pendant un demi-siècle. Sans compter qu’aujourd’hui beaucoup de talents STEM sont attirés par le logiciel…
Le logiciel est plus démocratisé, et les chances d’accroître la richesse familiale y sont bien plus élevées. Cela dit, des régulateurs corrompus font tout pour retirer aux travailleurs l’échelle qui leur permettrait de tracer leur propre voie. Par exemple, la nouvelle loi IR35 au Royaume-Uni limite fortement l’exploitation de petites entreprises de services
La triste réalité, c’est que des produits chimiques désagréables et inhabituels rendent beaucoup de procédés de fabrication moins chers et permettent de gros lots de production. Quand on pousse toutes les limites et que les enjeux sont élevés, il est difficile d’écarter totalement ce genre d’options
Si j’ai bien lu, ce serait plus exactement une plaquette de graphène, non ? On dirait qu’il n’y a pas de circuit dessus, juste une feuille de graphène. Même si c’est impressionnant, ça paraît difficile à appeler une « puce fonctionnelle »
En général, on crée par motif de grands plots métalliques pour pouvoir les sonder, puis on en mesure les caractéristiques
L’article de recherche complet est ici : https://arxiv.org/pdf/2308.12446
Ils ont aussi fabriqué un dispositif de preuve de concept. Il est écrit : « nous avons caractérisé le SEG FET à grille supérieure fabriqué afin de mesurer les propriétés électriques du SEG »
Discussions précédentes : https://news.ycombinator.com/item?id=38912240 et https://news.ycombinator.com/item?id=38878780
La question clé est de savoir si l’on peut le traiter aussi efficacement que le silicium et le miniaturiser. Cela dit, comme quelqu’un l’a déjà souligné, des transistors basés sur ce matériau ont déjà été fabriqués, et certains affirment aussi qu’on peut utiliser tels quels les procédés employés pour le silicium ; espérons donc que cela fonctionne
Il y a beaucoup plus de facteurs : la technologie de miniaturisation, les équipements de fab, l’expertise des ingénieurs et scientifiques du domaine, les couches et interfaces conducteur/semi-conducteur/isolant, etc. C’est intéressant d’entendre parler de progrès en dehors de l’écosystème existant du silicium, mais il est très difficile de supplanter le silicium au seul motif d’un « meilleur matériau ». Pour passer à une nouvelle pile technologique, il faudra probablement un avantage révolutionnaire par rapport à la technologie actuelle, par exemple une amélioration de l’ordre de 100×
C’était aussi un problème pour les puces à base de GaAs. La page Wikipédia de GaAs indique : « Le deuxième grand avantage du Si est l’existence d’un oxyde natif utilisé comme isolant, à savoir le dioxyde de silicium (SiO2) »
Avec une description comme « cette étape de chauffage consiste à empiler deux puces de SiC dans un creuset en graphite, puis à placer celui-ci dans un tube de quartz sous argon. On fait ensuite passer un courant haute fréquence dans une bobine de cuivre autour du tube de quartz afin de chauffer le creuset en graphite par induction », cela ne veut-il pas simplement dire qu’ils utilisent un four tubulaire ?
D’après de Heer, « les puces que nous utilisons coûtent environ 10 dollars, le creuset environ 1 dollar et le tube de quartz environ 10 dollars » ; mais un four tubulaire ne coûte pas 10 dollars, sauf s’ils l’ont fabriqué eux-mêmes et excluent du calcul un équipement à plusieurs milliers de dollars déjà présent sur place
Le problème se situe toujours au niveau du scaling et des équipements. Si l’on ne s’appuie pas sur l’infrastructure existante, les chances de succès sont faibles
Pour référence, le carbone représente environ 0,18 % de la masse de la Terre, contre 27,7 % pour le silicium. Sur la Lune, il n’y a pratiquement pas de carbone, tandis que le régolithe contient 20 % de silicium
Existe-t-il une niche qui aurait besoin de puces ultrarapides et que les puces à base de silicium ne pourraient pas satisfaire ? Je me demande s’il existerait un marché viable avec de petites entreprises produisant seulement de faibles volumes, ou si ce ne serait possible qu’à grande échelle