Des ingénieurs du MIT ont conçu une nouvelle génération de transistors qui pourraient révolutionner l’efficacité énergétique des appareils électroniques. En exploitant des matériaux semiconducteurs novateurs et un design 3D précis, ils ont contourné des limites physiques en utilisant des effets quantiques, promettant des performances bien supérieures à celles des transistors en silicium.
Pourquoi c’est important : Les transistors en silicium, bien que performants, sont limités par certaines contraintes physiques. Les lois de la physique imposent un plafond sur la performance et l’efficacité énergétique. Cependant, une équipe d’ingénieurs du MIT pense avoir découvert un moyen de dépasser ces limites grâce à un design de transistor radical qui exploite des comportements quantiques inattendus.
Leur projet s’attaque à ce qu’ils appellent la « tyrannie de Boltzmann ». Cela désigne la limite fondamentale sur la tension minimale requise pour activer un transistor en silicium à température ambiante ; si cette tension est trop faible, le transistor ne peut plus commuter. Ce seuil électrique entrave les gains en efficacité énergétique pour les dispositifs électroniques, un problème croissant avec les applications énergivores de l’IA.
L’équipe du MIT a fabriqué des transistors expérimentaux à partir de matériaux semi-conducteurs uniques tels que l’antimoniure de gallium et l’arséniure d’indium, dépassant ainsi le silicium traditionnel. Ce projet est en partie financé par Intel Corporation et a été récemment publié dans Nature Electronics.
Cependant, la véritable innovation réside dans leur conception 3D unique, élaborée avec des outils de précision au MIT.nano, le centre de recherche de l’université dédié aux nanosciences. Les transistors possèdent des hétérostructures de nanofils verticaux d’un diamètre minuscule de seulement 6 nanomètres, supposés être les plus petits transistors 3D jamais rapportés.
À cette échelle, certains effets quantiques interviennent, permettant aux transistors de contourner les limites physiques du silicium. Les scientifiques ont conçu ces transistors pour réaliser le tunnel quantique, un phénomène où les électrons peuvent « téléporter » à travers une barrière isolante au lieu de la surmonter, permettant au transistor de s’activer avec une tension beaucoup plus faible. Un autre phénomène est le confinement quantique, où les dimensions serrées du nanofil modifient les propriétés des matériaux.
La combinaison de ces effets permet aux dispositifs du MIT d’atteindre une rapidité de commutation que le silicium ne peut égaler, avec une consommation électrique minimale. Les tests ont montré que leur courbe de tension de commutation était plus abrupte que les limites du silicium conventionnel. En fait, la performance actuelle était environ 20 fois supérieure à celle d’autres transistors expérimentaux utilisant le tunnel quantique.
« C’est une technologie pouvant remplacer le silicium, offrant toutes les fonctions actuellement assurées par ce dernier, mais avec une bien meilleure efficacité énergétique », explique Yanjie Shao, l’auteur principal du projet.
Bien sûr, il reste un long chemin entre cette preuve de concept et la commercialisation, et l’équipe en est consciente.
« Avec la physique conventionnelle, il n’y a que jusqu’à un certain point que vous pouvez aller. Le travail de Yanjie montre que nous pouvons faire mieux, mais il faut utiliser une physique différente. De nombreux défis restent à relever avant d’envisager la commercialisation de cette approche, mais conceptuellement, cela représente une avancée majeure », déclare Jesús del Alamo, auteur senior de l’article et membre du Département d’ingénierie électrique et d’informatique du MIT.
L’équipe souligne également la nécessité de perfectionner le processus de fabrication pour garantir que les transistors à l’échelle nanométrique soient plus uniformes sur toute la puce.
Ce n’est pas la première fois que le MIT s’attaque aux limites de la loi de Moore. Plus tôt cette année, des scientifiques du MIT ont présenté un transistor capable de commuter en quelques nanosecondes, avec une durabilité atteignant un milliard de cycles.