Des chercheurs de la City University de Hong Kong ont introduit une approche révolutionnaire dans la technologie des semi-conducteurs utilisant des transistors à dimensions mixtes. Cette innovation ouvre la voie à une électronique plus efficace et plus performante, surmontant les défis de la réduction d’échelle traditionnelle et mettant en évidence un progrès significatif vers des circuits intégrés avancés et multifonctionnels.
La miniaturisation des composants électroniques, notamment des transistors, a atteint un plateau, posant des obstacles à la production de semi-conducteurs. Néanmoins, un groupe de chercheurs, dirigé par des experts en science des matériaux de la City University of Hong Kong (CityUHK), a dévoilé une nouvelle approche pour créer des composants électroniques hautement polyvalents et performants à l’aide de transistors constitués de nanofils et de nanoflacons de dimensions mixtes. Cette avancée facilite la conception de circuits à puce et favorise le développement de futurs dispositifs électroniques à la fois flexibles et économes en énergie.
Au cours des dernières décennies, alors que l’évolution continue des transistors et des circuits intégrés a commencé à atteindre des limites physiques et économiques, la fabrication de dispositifs semi-conducteurs de manière contrôlable et rentable est devenue un défi. Une mise à l’échelle supplémentaire de la taille des transistors augmente les fuites de courant et donc la dissipation de puissance. Les réseaux de câblage complexes ont également un impact négatif sur la consommation électrique.
La logique multivaluée (MVL) est apparue comme une technologie prometteuse pour surmonter l’augmentation de la consommation d’énergie. Il transcende les limites des systèmes logiques binaires conventionnels en réduisant considérablement le nombre de composants de transistors et leurs interconnexions, permettant ainsi une densité d’informations plus élevée et une dissipation de puissance plus faible. Des efforts importants ont été consacrés à la construction de divers dispositifs logiques multivalués, notamment des transistors anti-ambipolaires (AAT).
Percée dans les transistors anti-ambipolaires
Les dispositifs anti-ambipolaires sont une classe de transistors dans lesquels les porteurs de charge positifs (trous) et négatifs (électrons) peuvent tous deux être transportés simultanément dans le canal semi-conducteur. Cependant, les dispositifs existants basés sur l’AAT utilisent principalement des matériaux 2D ou organiques, qui sont instables pour l’intégration de dispositifs semi-conducteurs à grande échelle. De plus, leurs caractéristiques de fréquence et leur efficacité énergétique ont rarement été explorées.
Pour remédier à ces limitations, une équipe de recherche dirigée par le professeur Johnny Ho, vice-président associé (Entreprise) et chef associé du département de science et d’ingénierie des matériaux de CityUHK, s’est lancée dans des recherches visant à développer des circuits basés sur des dispositifs anti-ambipolaires avec des informations plus élevées. densité et moins d’interconnexions, et explorez leurs caractéristiques de fréquence.
Schéma schématique de l’onduleur ternaire à hétérojonction GaAsSb/MoS2. Crédit : Groupe de recherche du professeur Johnny Ho / City University of Hong Kong
L’équipe a créé une technique avancée de dépôt chimique en phase vapeur pour créer un nouvel hétéro-transistor à dimensions mixtes, qui combine les propriétés uniques des nanofils GaAsSb de haute qualité et du MoS.2 nanoflacons.
Transistors révolutionnaires à dimensions mixtes
Les nouveaux transistors anti-ambipolaires avaient des performances exceptionnelles. En raison des fortes propriétés de couplage interfacial et d’alignement de structure de bande du GaAsSb/MoS à dimensions mixtes2 jonction, l’hétéro-transistor présente des caractéristiques de transfert anti-ambipolaire importantes avec l’inversion de la transconductance.
L’inversion de la transconductance double la fréquence en réponse au signal du circuit analogique d’entrée, réduisant considérablement le nombre de dispositifs requis par rapport au multiplicateur de fréquence conventionnel de la technologie CMOS.
« Nos transistors anti-ambipolaires à dimensions mixtes peuvent mettre en œuvre simultanément des circuits logiques à valeurs multiples et des multiplicateurs de fréquence, ce qui en fait le premier du genre dans le domaine des applications de transistors anti-ambipolaires », a déclaré le professeur Ho.
Professeur Johnny Ho de la City University de Hong Kong. Crédit : Université municipale de Hong Kong
Les caractéristiques logiques à valeurs multiples simplifient les réseaux de câblage complexes et réduisent la dissipation de puissance des puces. La réduction de la dimensionnalité du dispositif, ainsi que la région de jonction réduite, rendent le dispositif rapide et économe en énergie, ce qui donne lieu à des circuits numériques et analogiques hautes performances.
« Nos résultats montrent que les dispositifs anti-ambipolaires à dimensions mixtes permettent la conception de circuits sur puce avec une densité de stockage d’informations et une capacité de traitement d’informations élevées », a déclaré le professeur Ho. « Jusqu’à présent, la plupart des chercheurs de l’industrie des semi-conducteurs se sont concentrés sur la miniaturisation des dispositifs afin de maintenir la loi de Moore. Mais l’avènement du dispositif anti-ambipolaire montre la supériorité relative de la technologie existante basée sur la logique binaire. La technologie développée dans cette recherche représente un grand pas vers les circuits intégrés multifonctionnels et les technologies de télécommunications de nouvelle génération.
La recherche ouvre également la possibilité de simplifier davantage les conceptions de circuits intégrés complexes pour améliorer les performances.
La fonction d’inversion de transconductance du dispositif anti-ambipolaire à dimensions mixtes a montré la possibilité d’applications polyvalentes dans le traitement des signaux numériques et analogiques, notamment les inverseurs logiques ternaires, l’optoélectronique avancée et les circuits de doublement de fréquence. « La nouvelle structure du dispositif annonce le potentiel d’une révolution technologique dans le futur de l’électronique polyvalente », a ajouté le professeur Ho.
La recherche a été financée par le Conseil des subventions de recherche de la région administrative spéciale de Hong Kong et la Commission de l’innovation scientifique et technologique de la municipalité de Shenzhen.
