Vers de meilleures performances des transistors à effet tunnel

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Des chercheurs du "Rochester Institute of Technology", en partenariat avec le consortium international sur les semiconducteurs "SEMATECH" et la "Texas State University", ont réalisé la première étude comparative expérimentale permettant d’analyser les performances de différents types de diodes à effet tunnel "III-V Esaki". Leurs résultats pourront servir de référence aux fabricants de transistors à effet tunnel pour la conception des composants avec une efficacité énergétique optimale.

Depuis l’essor des transistors en 1950, les progrès de performance de l’électronique se sont essentiellement traduits en termes de diminution de la taille de ces composants de base. Actuellement, les transistors utilisent la technologie CMOS ("Complementary Metal Oxide Semiconductor") avec principalement des supports de silicium. Cette technologie se base sur un "effet de champ" : l’application d’une tension électrique permet de contrôler la conductivité d’un "canal" d’électrons dans un matériau semi-conducteur. Cependant la course à la miniaturisation pour ces systèmes nous entraîne aujourd’hui aux limites de la thermodynamique et les performances en termes de consommation énergétique stagnent.

Une nouvelle technologie promet de nets progrès : les transistors à effet tunnel (TFET pour "Tunneling Field Effect Transistor"). L’effet tunnel est un phénomène quantique qui permet à un électron de traverser une barrière de potentiel bien que, d’après la mécanique classique, son énergie soit inférieure à l’énergie minimale nécessaire pour franchir cette barrière. Le TFET tire profit de ce phénomène : il est constitué de deux compartiments séparés par une barrière d’énergie la plus faible possible. Une tension minime permet d’activer le transistor, en autorisant les électrons à passer du premier au second compartiment en franchissant cette barrière par effet tunnel.

Le but de cette technologie est d’obtenir une transition abrupte entre la mise en marche et l’arrêt du composant ou circuit électronique, ce qui permettrait de réduire sa consommation énergétique jusqu’à 10% en mode dynamique et de la rendre quasi-nulle en mode veille. Un grand avantage tient à la tension particulièrement faible, requise pour la mise en transit des électrons. Celle-ci est inférieure à 0.5 V, ce qui serait impossible à réaliser dans le cas des transistors CMOS (travaillant dans le domaine 3 à 15 V).

L’étude comparative de l’équipe de Sean Miller, professeur associé en ingénierie électrique et micro-électrique au RIT, s’attache à l’impact des diodes à effet tunnel en vue de leur application aux TFETs [1]. Ils ont retenu deux critères de performance pour ces diodes : d’une part la densité de courant doit être la plus importante possible, et d’autre part cette densité doit être associée à un rapport maximal courants maximum sur minimum. Pour plusieurs types de systèmes de semi-conducteurs, ils ont donc mesuré ces données physiques en fonction du dopage et de la hauteur effective de la barrière de potentiel. Les données montrent très clairement l’intérêt des dispositifs à jonctions hétérogènes (i.e. deux matériaux semi-conducteurs différents constituent la jonction) par rapport aux dispositifs à jonctions homogènes (un seul matériau semi-conducteur). Par ailleurs, l’équipe a obtenu des résultats pour les jonctions hétérogènes de type "gap brisé" quarante fois meilleurs que les précédents reportés dans la littérature jusqu’ici ! Ainsi la viabilité de la technologie TFET n’est plus à démontrer.

Son implémentation dans l’industrie devrait se faire d’ici 5 à 7 ans selon le Prof. Rommel. Les coûts d’industrialisation constituent cependant un gros frein. En effet, les transistors actuels font partie des composants les moins chers sur le marché mondial. Dans un premier temps, une solution hybride pourrait donc être envisagée, en remplaçant seulement les composants les plus consommateurs d’énergie.

Les applications premières de cette technologie sont destinées aux systèmes électroniques portables (ordinateurs ou téléphones portables par exemple), dont l’autonomie pourra être significativement améliorée. Par ailleurs, des systèmes autonomes pourront alors être créés grâce à une auto-alimentation par l’énergie solaire, vibrationnelle ou électromagnétique.

En Europe, le projet STEEPER travaille sur le sujet. Plusieurs institutions de recherche dont le CEA-LETI à Grenoble, ainsi que des partenaires académiques et industriels, et avec l’aide gestionnaire de SCIPROM, se sont donnés comme objectif la réalisation d’un transistor à effet tunnel, avec une production en masse d’ici 2017. En octobre dernier se tenait la conférence "International Electron Devices Meeting" à San Francisco. Les résultats de l’étude menée par le RIT, SEMATECH et la Texas State University, ainsi que ceux du projet STEEPER y ont été présentés.

Selon l’International Energy Agency (IEA), les appareils électroniques représentent actuellement 15% de la consommation électrique des ménages. Ce pourcentage devrait doubler d’ici 2022 et même tripler d’ici 2030. Par ailleurs, 10% de cette consommation provient des appareils en mode veille. Les transistors TFET portent donc l’espoir de réduire significativement la consommation énergétique électrique de la planète.



[1] L’étude est subventionnée par SEMATECH, la National Science Foundation et le bureau du Vice-Président Recherche au Rochester Institute of Technology

Sources :


- Entretien téléphonique avec Sean Rommel
- Article "Benchmarking and Improving III-V Esaki Diode Performance with a Record 2.2 MA/cm2 Peak Current Density to Enhance TFET Drive Current", D. Pawlik et al., IEDM 2012.

Pour en savoir plus, contacts :


- Page d’accueil du département d’électronique et microélectronique du Rochester Institute of Technology : http://www.rit.edu/kgcoe/eme/
- Page d’accueil de SEMATECH : http://www.sematech.org/index.htm
- Page d’accueil du département de physique de la Texas State University : http://www.txstate.edu/physics/
- Page d’accueil du projet STEEPER : http://www.steeper-project.org/
- Interviews du chercheur de l’EPFL, Adrian Ionescu, sur le projet STEEPER :
* http://sti.epfl.ch/page-48835-fr.html
* http://actualites.epfl.ch/index.php?module=Newspaper&func=viewarticle&np_id=1885&np_eid=142&catid=121
- Page d’accueil de l’International Energy Agency : http://www.iea.org/
Code brève
ADIT : 72180

Rédacteurs :


- Catherine Marais, Attaché scientifique adjoint, deputy-phys.mst@consulfrance-houston.org ;
- Retrouvez toutes nos activités sur http://france-science.org.

Voir en ligne : http://www.bulletins-electroniques….