Nano-transistor sur banc d'essai virtuel
Gr?ce à un programme informatique spécial, les chercheurs de l'ETH Zurich peuvent simuler des nanocomposants électroniques. Ils soutiennent ainsi la Science et ingénierie des matériaux et l'industrie dans le développement et la production.
Aujourd'hui, les composants électroniques ne mesurent souvent que quelques nanomètres (milliardièmes de mètre). Selon la loi de Moore, la taille d'un transistor par exemple diminue de moitié tous les deux ans. C'est la seule fa?on de placer aujourd'hui deux milliards de transistors au format nanométrique sur la puce d'un smartphone. Ces minuscules éléments garantissent que le smartphone peut répondre à des exigences toujours plus grandes - être un téléphone et un appareil photo, mais aussi une caméra vidéo, un moteur de recherche, un gardien de santé personnel et un divertissement de haut niveau. Les composants doivent être efficaces sur le plan énergétique et bon marché.
Plus les composants électroniques sont minuscules, plus leur fabrication est toutefois difficile. A titre de comparaison, un globule rouge a un diamètre de 7000 nanomètres et un cheveu humain de 80 000 nanomètres. Fabriquer un transistor de 20 nanomètres ou moins à partir de semi-conducteurs comme l'élément silicium n'est donc pas seulement un défi technique. Des effets physiques, appelés lois de la mécanique quantique, entra?nent également une modification des propriétés des matériaux à l'échelle nanométrique. Cela complique la vie des designers et des ingénieurs lors du développement et de la construction de nanocomposants. Ces derniers trouvent désormais du soutien auprès du professeur Mathieu Luisier de l'Institut des systèmes intégrés de l'ETH Zurich.
Prévision par ordinateur
Luisier poursuit depuis plus de dix ans le développement d'un logiciel qui simule les transistors du futur, dont la taille ne dépasse pas quelques nanomètres. Il est soutenu dans cette t?che par le superordinateur du CSCS "Piz Daint", qui aide à prédire ce qui se passera lorsque la composition, la forme et la taille des matériaux changeront dans le monde des nano-échelles. Pour Luisier, "Piz Daint" est actuellement le meilleur et le plus efficace des moteurs de simulation dans la recherche de nouvelles combinaisons idéales de matériaux. Le travail du professeur de l'ETH suscite un grand intérêt auprès de l'industrie, car les simulations permettent d'économiser du temps d'expérimentation et des co?ts dans le processus de développement de nouveaux composants électroniques efficaces.
L'un des problèmes lorsque des milliards de transistors traditionnels sont placés sur une puce est qu'ils génèrent beaucoup de chaleur et surchauffent donc facilement. La raison en est que les électrons dégagent de l'énergie en traversant le transistor. Luisier et son équipe simulent le transport des électrons au niveau atomique à l'aide de leur logiciel OMEN - un soi-disant simulateur quantique - afin d'étudier ce qui se passe exactement. Le transistor simulé se compose d'un nanofil de cristaux de silicium. "Lorsque les électrons traversent le fil, ils possèdent au début une énergie élevée et constante, mais celle-ci diminue ensuite progressivement et est absorbée par le réseau cristallin du silicium sous la forme de ce que l'on appelle des phonons", explique Luisier. En faisant interagir les électrons et les phonons, le cristal est chauffé et l'énergie totale est conservée - une preuve pour les chercheurs que leur modèle reproduit correctement le processus. L'objectif est maintenant de construire le transistor sur la base des connaissances acquises par les simulations de manière à ce que les électrons perdent le moins d'énergie possible sur leur trajet.
Jouer avec les cristaux
Dans leurs simulations, les chercheurs peuvent d'une part "jouer" avec la disposition de différents plans cristallins dans le cristal et modifier la structure cristalline, ou remplacer le silicium par un autre matériau semi-conducteur. D'autre part, ils peuvent vérifier les fonctionnalités et les différentes propriétés des cristaux simulés.
Les chercheurs ont par exemple simulé un nanofil dont le canal est entouré d'un oxyde et d'un contact métallique (gate). Dans ce dernier, les phonons émis par les électrons sont en quelque sorte piégés. Les phonons ne peuvent quitter la structure que ponctuellement, au début et à la fin du nanofil. "Si l'on remplace la gaine autour du fil par une structure qui ressemble à une lettre oméga, on obtient une plus grande surface par laquelle les phonons peuvent s'échapper", explique Luisier. Si la surface est en outre en contact direct avec un segment de refroidissement, le transistor chauffe moins fortement.
Mais les semi-conducteurs produiraient aussi moins de chaleur s'ils étaient construits avec des matériaux comme l'arséniure d'indium et de gallium ou le germanium. En effet, les électrons peuvent se déplacer plus rapidement à travers ces matériaux. Ils sont toutefois beaucoup plus chers que le silicium.
Au cours des simulations, les chercheurs génèrent atome par atome les structures qu'ils ont con?ues. Comme dans la méthode traditionnelle dite "ab-initio", utilisée intensivement pour analyser les propriétés des matériaux, les simulations des chercheurs de Luisier résolvent l'équation de Schr?dinger. Ils peuvent ainsi étudier la manière dont l'électron et le phonon interagissent.
Il existe cependant deux différences principales : Alors que la méthode "ab-initio" résout le mouvement ondulatoire des électrons dans un système fermé ou dans un système qui se répète périodiquement, le groupe de Luisier complète la méthode par des conditions limites ouvertes. Il est ainsi possible de simuler le transport. Les scientifiques peuvent alors observer aussi bien les flux d'électrons que les flux thermiques et décrire en outre le couplage avec l'environnement, l'interaction du flux d'électrons avec les flux thermiques. Une autre différence est que les calculs avec le LUS sont pour l'instant effectués à partir de modèles empiriques, car ils sont encore trop complexes "ab-initio" et nécessitent plus de calculs.
La haute performance informatique
Toutefois, de nouveaux algorithmes sont actuellement développés en collaboration dans le cadre d'un projet PASC avec des scientifiques de l'Università della Svizzera italiana et de l'EPF Lausanne, afin de rendre les calculs plus efficaces. "A moyen terme, nous voulons remplacer tous les modèles empiriques par des modèles "ab-initio", afin de pouvoir calculer plus facilement et plus précisément des structures composées de différents matériaux", explique Luisier. "Pour cela, nous avons besoin des algorithmes optimisés et de machines comme Piz Daint".
Luisier souligne toutefois que leur approche empirique est absolument state-of-the-art, ce qui, à sa connaissance, n'existe pas encore dans le développement de nanodispositifs électroniques. Un autre point fort de la recherche de son groupe est la simulation des batteries lithium-ion. "Si nous comprenons mieux le développement de la chaleur dans les transistors ou les batteries, nous pouvons proposer de meilleurs designs en conséquence", explique Luisier. "OMEN est un simulateur de composants de nouvelle génération, dans lequel les ingénieurs utilisent des concepts qui n'étaient auparavant utilisés que dans la Science et ingénierie des matériaux, la chimie ou la physique."
Simone Ulmer est écrivain scientifique au page externeCSCS,où cet article a été publié pour la première fois.