Une équipe de recherche de l'Université Polytechnique de Hong Kong (PolyU) a conçu un nouveau transistor à effet tunnel (TFET, tunnelling field-effect transistor) qui franchit la barrière physique de longue date connue sous le nom de « limite de Boltzmann », une avancée majeure pour la microélectronique. Publiée dans la revue Science, cette percée pourrait transformer l'informatique à haute efficacité énergétique et le développement des puces IA de nouvelle génération.

Les transistors conventionnels, qui constituent les éléments de base des circuits intégrés, reposent sur l'émission thermoïonique pour s'activer et se désactiver. À température ambiante, ce processus exige une tension de grille minimale de 60 millivolts (mV), une contrainte fixée par la limite de Boltzmann qui a freiné la miniaturisation et les gains d'efficacité énergétique de l'électronique haute performance. L'équipe de PolyU, dirigée par le professeur Jianhua Hao, chef du département de physique et des matériaux et professeur de chaire en physique des matériaux et dispositifs, a contourné cette limitation en recourant à l'effet tunnel quantique.

L'effet tunnel quantique permet aux porteurs de charge de traverser une barrière d'énergie infranchissable selon la physique classique. En concevant soigneusement une hétérostructure composée de couches de bismuth 2D et de sélénium d'indium, l'équipe a transformé le bismuth, normalement semi-métallique, en semi-conducteur. Ce changement structurel permet un effet tunnel efficace des porteurs vers le sélénium d'indium, produisant un transistor dont les valeurs de déplacement de seuil (SS) sont nettement inférieures à la limite de 60 mV par décade. Le déplacement de seuil mesure la netteté avec laquelle un transistor commute entre ses états OFF et ON ; une commutation plus abrupte signifie moins de tension, et donc moins d'énergie, nécessaire à chaque opération de commutation. La recherche de dispositifs dépassant ce plancher de 60 mV/decade constitue depuis longtemps un objectif du domaine, les TFET figurant parmi les candidats les plus étudiés au monde, aux côtés d'autres approches à pente raide telles que les transistors à capacitance négative.

Le nouveau TFET fonctionne à température ambiante sur des substrats de silicium, un avantage pratique crucial pour son intégration dans les processus de fabrication existants. Il ne nécessite qu'une plage de tension de grille de 160 mV, contre 800 mV pour les dispositifs conventionnels. Cette réduction spectaculaire des besoins en tension se traduit par une consommation d'énergie nettement inférieure, un facteur clé pour l'informatique économe en énergie et pour la technologie d'IA, qui exige une puissance de calcul massive. L'énergie de commutation des transistors étant proportionnelle à la tension, abaisser les tensions de fonctionnement constitue l'un des leviers les plus directs pour réduire la consommation des processeurs, un enjeu de plus en plus pressant à mesure que croissent les besoins en calcul et en énergie de l'entraînement et de l'inférence des modèles d'IA.

Un défi majeur des TFET expérimentaux précédents consistait à atteindre un courant de sortie élevé tout en maintenant un rapport de courant ON/OFF élevé. Le dispositif de PolyU surmonte cet obstacle, offrant à la fois un courant de sortie élevé et un rapport de commutation ON/OFF exceptionnel. Ces performances permettent au transistor de piloter plusieurs portes logiques en aval et de réduire les délais des circuits, ce qui le rend adapté aux circuits intégrés pratiques.

Le professeur Hao a souligné l'importance de ces travaux : « En adoptant l'effet tunnel quantique, notre TFET franchit cette frontière, ouvrant la voie à des circuits intégrés ultra-basse consommation et haute performance, essentiels aux puces IA émergentes et aux applications semi-conductrices avancées. »

La recherche a été menée en collaboration avec l'Université nationale de Singapour, la Hong Kong University of Science and Technology, l'Université de Pékin et la Singapore University of Technology and Design.

Cette avancée a de vastes implications pour l'avenir de l'électronique. Alors que l'industrie des semi-conducteurs approche des limites physiques de la technologie MOSFET conventionnelle, des approches innovantes comme les TFET à effet tunnel quantique offrent une voie viable. Fonctionner à des tensions plus basses sans sacrifier les performances pourrait permettre des centres de données plus efficaces, une autonomie de batterie accrue pour les appareils mobiles et des systèmes d'IA plus puissants consommant moins d'énergie. La démonstration réussie de cette technologie sur substrats de silicium laisse entrevoir une transition plus fluide de la recherche vers l'application commerciale, même si le passage d'une démonstration en laboratoire à la fabrication en volume exige généralement des développements supplémentaires en matière de qualité des matériaux, d'uniformité des dispositifs et d'intégration des procédés à grande échelle.

Source : Citybuzz