L’avenir du transistor est notre avenir

Ceci est un article invité en reconnaissance du 75e anniversaire de l’invention du transistor. Il est adapté d’un essai paru dans le bulletin d’information de l’IEEE Electron Device Society de juillet 2022. Les opinions exprimées ici sont uniquement celles de l’auteur et ne représentent pas les positions de Spectre IEEE ou l’IEEE.

À l’occasion du 75e anniversaire de l’invention du transistor, un appareil auquel j’ai consacré toute ma carrière, j’aimerais répondre à deux questions : Le monde a-t-il besoin de meilleurs transistors ? Et si oui, à quoi ressembleront-ils ?

Je dirais que oui, nous allons avoir besoin de nouveaux transistors, et je pense que nous avons aujourd’hui quelques indices sur ce à quoi ils ressembleront. La question est de savoir si nous aurons la volonté et la capacité économique de les fabriquer.

Je crois que le transistor est et restera la clé pour lutter contre les impacts du réchauffement climatique. Avec son potentiel de bouleversements sociétaux, économiques et personnels, le changement climatique nécessite des outils qui nous donnent aux humains des ordres de grandeur supplémentaires.

Les semi-conducteurs peuvent augmenter les capacités de l’humanité comme aucune autre technologie. Presque par définition, toutes les technologies augmentent les capacités humaines. Mais pour la plupart d’entre eux, les ressources naturelles et les contraintes énergétiques rendent discutables les améliorations d’un ordre de grandeur. La technologie à transistor est une exception unique pour les raisons suivantes.

1. Au fur et à mesure que les transistors s’améliorent, ils permettent de nouvelles capacités telles que l’informatique et la communication à haut débit, Internet, les smartphones, la mémoire et le stockage, la robotique, l’intelligence artificielle et d’autres choses auxquelles personne n’a encore pensé.
2. Ces capacités ont de nombreuses applications et transforment toutes les technologies, industries et sciences.
   un. La technologie des semi-conducteurs n’est pas aussi limitée dans sa croissance par ses utilisations de matériaux et d’énergie que les autres technologies. Les circuits intégrés utilisent des quantités relativement faibles de matériaux. En conséquence, ils sont plus petits et moins ils utilisent de matériaux, plus ils deviennent rapides, économes en énergie et capables.
3. Théoriquement, l’énergie nécessaire au traitement de l’information peut encore être réduite à moins d’un millième de ce qui est nécessaire aujourd’hui . Bien que nous ne sachions pas encore exactement comment aborder une telle efficacité théorique, nous savons que multiplier par mille l’efficacité énergétique ne violerait pas les lois physiques. En revanche, les rendements énergétiques de la plupart des autres technologies, telles que les moteurs et l’éclairage, se situent déjà entre 30 et 80 % de leurs limites théoriques.

Transistors : passé, présent et futur

La façon dont nous continuerons à améliorer la technologie des transistors est relativement claire à court terme, mais cela devient plus trouble à mesure que vous vous éloignez d’aujourd’hui. À court terme, vous pouvez entrevoir l’avenir du transistor en regardant son passé récent.

La structure de base du MOSFET planaire (2D) est restée inchangée de 1960 jusqu’en 2010 environ, lorsqu’il est devenu impossible d’augmenter davantage la densité des transistors et de réduire la consommation d’énergie de l’appareil. Mon laboratoire à l’Université de Californie à Berkeley a vu ce point arriver plus d’une décennie plus tôt. Nous avons signalé l’invention du FinFET, le successeur du transistor planaire, en 1999. FinFET, le premier MOSFET 3D, a changé la structure plate et large du transistor en une structure haute et étroite. L’avantage est une meilleure performance dans une empreinte plus petite, un peu comme l’avantage des bâtiments à plusieurs étages par rapport à ceux à un étage dans une ville surpeuplée.

Le FinFET est également ce qu’on appelle un MOSFET à corps mince, un concept qui continue de guider le développement de nouveaux appareils. Il est né de l’idée que le courant ne fuira pas à travers un transistor à quelques nanomètres de la surface du silicium car le potentiel de surface y est bien contrôlé par la tension de grille. Les FinFET prennent à cœur ce concept de corps mince. Le corps de l’appareil est l’ailette verticale en silicium, qui est recouverte d’un isolant en oxyde et d’un métal de grille, ne laissant aucun silicium en dehors de la plage de contrôle de grille fort. Les FinFET ont réduit le courant de fuite de plusieurs ordres de grandeur et abaissé la tension de fonctionnement du transistor. Il a également indiqué la voie à suivre pour de nouvelles améliorations : réduire encore plus l’épaisseur de la carrosserie.

L’ailette du FinFET est devenue plus fine et plus haute avec chaque nouveau nœud technologique. Mais ces progrès sont désormais devenus trop difficiles à maintenir. L’industrie adopte donc une nouvelle structure CMOS 3D à corps mince, appelée gate-all-around (GAA). Ici, un empilement de rubans de semi-conducteur constitue le corps mince.

Chaque évolution de la structure MOSFET visait à produire un meilleur contrôle de la charge dans le silicium par la grille [pink]. Diélectrique [yellow] empêche la charge de se déplacer de la grille dans le corps en silicium [blue].

La tendance des corps minces 3D se poursuivra de ces transistors 3D aux transistors empilés 3D, aux circuits monolithiques 3D et aux boîtiers multipuces. Dans certains cas, cette tendance 3D a déjà atteint des sommets. Par exemple, la régularité du réseau de transistors mémoire à piège de charge a permis à la mémoire flash NAND d’être le premier circuit intégré à passer des circuits 2D aux circuits 3D. Depuis le premier rapport de 3D NAND par Toshiba en 2007, le nombre de couches empilées est passé de 4 à plus de 200.

Les circuits intégrés logiques 3D monolithiques démarreront probablement modestement, en empilant les deux transistors d’un onduleur CMOS pour réduire l’empreinte de toutes les portes logiques [see “3D-Stacked CMOS Takes Moore’s Law to New Heights”]. Mais le nombre de piles peut augmenter. D’autres chemins vers des circuits intégrés 3D peuvent utiliser le transfert ou le dépôt de couches supplémentaires de films semi-conducteurs, tels que du silicium, du silicium-germanium ou de l’arséniure d’indium-gallium sur une tranche de silicium.

La tendance des corps minces pourrait atteindre son point final dans les semi-conducteurs 2D, dont l’épaisseur est mesurée en atomes. Les molécules de disulfure de molybdène, par exemple, sont à la fois naturellement fines et relativement grosses, formant un semi-conducteur 2D qui peut ne pas dépasser trois atomes de large tout en ayant de très bonnes propriétés de semi-conducteur. En 2016, des ingénieurs de Californie et du Texas ont utilisé un film de disulfure de molybdène, une molécule semi-conductrice 2D, et un nanotube de carbone pour démontrer un MOSFET avec une dimension critique : une longueur de grille de seulement 1 nanomètre de diamètre. Même avec une grille aussi courte que 1 nm, le courant de fuite du transistor n’était que de 10 nanoampères par millimètre, comparable au meilleur transistor de production actuel.

“Les progrès de la technologie des transistors n’ont pas été réguliers ni fluides.”

On peut imaginer que dans un futur lointain, l’ensemble du transistor puisse être préfabriqué en une seule molécule. Ces blocs de construction préfabriqués pourraient être amenés à leurs emplacements précis dans un circuit intégré grâce à un processus appelé auto-assemblage dirigé (DSA). Pour comprendre la DSA, il peut être utile de rappeler qu’un virus COVID utilise ses pointes pour trouver et s’ancrer chimiquement à un endroit précis à la surface de cellules humaines particulières. Dans DSA, les points d’amarrage, les «pointes» et la cargaison de transistors sont tous soigneusement conçus et fabriqués. Les points d’amarrage initiaux peuvent être créés par lithographie sur un substrat, mais des points d’amarrage supplémentaires peuvent être amenés en tant que cargaison dans les étapes suivantes. Une partie de la cargaison peut être éliminée par la chaleur ou par d’autres moyens si elle n’est nécessaire que pendant le processus de fabrication mais pas dans le produit final.

En plus de rendre les transistors plus petits, nous devrons continuer à réduire leur consommation d’énergie. Ici, nous pourrions voir une réduction d’ordre de grandeur grâce à l’utilisation de ce qu’on appelle des transistors à effet de champ à capacité négative (NCFET). Ceux-ci nécessitent l’insertion d’une couche nanométrique de matériau ferroélectrique, tel que l’oxyde de zirconium hafnium, dans l’empilement de grille du MOSFET. Parce que le ferroélectrique contient son propre champ électrique interne, il faut moins d’énergie pour allumer ou éteindre l’appareil. Un avantage supplémentaire du ferroélectrique mince est l’utilisation possible de la capacité du ferroélectrique à stocker un peu comme l’état de son champ électrique, intégrant ainsi la mémoire et l’informatique dans le même dispositif.

L’auteur [left] a reçu la médaille nationale américaine de la technologie et de l’innovation des mains du président Barack Obama [right] en 2016.

Kevin Dietsch/UPI/Alamy

Dans une certaine mesure, les appareils que j’ai décrits sont nés des tendances existantes. Mais les futurs transistors peuvent avoir des matériaux, des structures et des mécanismes de fonctionnement très différents de ceux du transistor d’aujourd’hui. Par exemple, le commutateur nanoélectromécanique est un retour aux relais mécaniques des décennies passées plutôt qu’une extension du transistor. Plutôt que de s’appuyer sur la physique des semi-conducteurs, il utilise uniquement des métaux, des diélectriques et la force entre des conducteurs étroitement espacés avec différentes tensions qui leur sont appliquées.

Tous ces exemples ont été démontrés par des expériences il y a des années. Cependant, leur mise en production nécessitera beaucoup plus de temps et d’efforts que les percées précédentes dans la technologie des semi-conducteurs.

Aller vers le futur

Serons-nous capables de réaliser ces exploits ? Certaines leçons du passé indiquent que nous le pourrions.

La première leçon est que les progrès de la technologie des transistors n’ont pas été réguliers ni réguliers. Vers 1980, la consommation électrique croissante par puce a atteint un niveau douloureux. L’adoption du CMOS, remplaçant les technologies NMOS et bipolaire – et plus tard, la réduction progressive de la tension de fonctionnement de 5 volts à 1 – a donné à l’industrie 30 ans de progrès plus ou moins directs. Mais encore une fois, le pouvoir est devenu un problème. Entre 2000 et 2010, la chaleur générée par centimètre carré de CI a été projetée par des chercheurs réfléchis pour atteindre bientôt celle du cœur du réacteur nucléaire. L’adoption d’architectures de processeurs FinFET à corps mince 3D et multicœurs a évité la crise et inauguré une autre période de progrès relativement fluides.

L’histoire de la technologie des transistors peut être décrite comme gravissant une montagne après l’autre. Ce n’est que lorsque nous sommes arrivés au sommet de l’un que nous avons pu voir la vue au-delà et tracer un itinéraire pour gravir la prochaine montagne plus haute et plus escarpée.

La deuxième leçon est que la principale force de l’industrie des semi-conducteurs, la nanofabrication, est formidable. L’histoire prouve qu’avec suffisamment de temps et d’incitations économiques, l’industrie a pu transformer n’importe quelle idée en réalité, tant que cette idée ne viole pas les lois scientifiques.

Mais l’industrie aura-t-elle suffisamment de temps et d’incitations économiques pour continuer à gravir des montagnes plus hautes et plus escarpées et continuer à augmenter les capacités de l’humanité ?

C’est une bonne question. Même si les ressources de l’industrie fab augmentent, les montagnes du développement technologique se développent encore plus rapidement. Un moment peut venir où aucune entreprise fabuleuse ne peut atteindre le sommet de la montagne pour voir le chemin à parcourir. Que se passe-t-il alors ?

Le chiffre d’affaires de toutes les usines de semi-conducteurs (indépendantes et celles, comme Intel, qui sont des sociétés intégrées) représente environ un tiers des revenus de l’industrie des semi-conducteurs. Mais les fabs ne représentent que 2% des revenus combinés des industries de l’informatique, des télécommunications et de l’électronique grand public que la technologie des semi-conducteurs permet. Pourtant, l’industrie fab supporte l’essentiel du fardeau croissant de la découverte, de la production et de la commercialisation de nouveaux transistors et de technologies de nanofabrication. Cela doit changer.

Pour que l’industrie survive, les ressources relativement maigres de l’industrie fab doivent être priorisées en faveur de la construction fab et des besoins des actionnaires plutôt que de l’exploration scientifique. Alors que l’industrie fab allonge son horizon temporel de recherche, elle a également besoin que d’autres assument le fardeau. Les capacités à long terme de l’humanité à résoudre les problèmes méritent un soutien public ciblé. L’industrie a besoin de l’aide d’une recherche exploratoire à très long terme, financée par des fonds publics, dans un cadre de type Bell Labs ou par des chercheurs universitaires avec des délais de carrière longs et des connaissances plus larges et plus approfondies en physique, chimie, biologie et algorithmes que la recherche d’entreprise permet actuellement. De cette façon, l’humanité continuera à trouver de nouveaux transistors et à acquérir les capacités dont elle aura besoin pour faire face aux défis des siècles à venir.