Dispositifs quantiques : au-delà du CMOS — Exploiter le tunnel, points quantiques et spintronique pour l'électronique future

Depuis les années 1960, la technologie CMOS a suivi une trajectoire de miniaturisation prévisible : les longueurs de grille ont rétréci de l'échelle micron aux nœuds 65 nm en production, avec des transistors 45 nm attendus pour 2007. À 65 nm, les courants de fuite pilotés par le tunnel quantique commencent à dominer, et à 45 nm, une ingénierie sophistiquée est requise pour supprimer cette fuite. La limite de miniaturisation conventionnelle pour les transistors MOS est projetée entre 20 et 30 nm, certains experts citant 1 à 2 nm comme frontière physique ultime. La photolithographie continuera de s'améliorer, pourtant les dispositifs sous-20 nm exigent de nouvelles structures actives qui exploitent, plutôt que combattent, les effets quantiques mécaniques.

Quand les géométries MOS approchent la longueur d'onde de de Broglie de l'électron, le tunnel à travers l'oxyde de grille et le canal étroit devient significatif. Cette fuite quantique force l'industrie à explorer des dispositifs qui tirent parti du tunnel pour la performance et l'efficacité énergétique. Candidats clés : diodes à tunnel résonnant (RTD), transistors à tunnel double couche (Deltt), diodes métal-isolant-isolant-métal (MIIM), transistors à points quantiques, et dispositifs à base de graphène. L'électronique basée sur le spin (spintronique) offre aussi une alternative non-dissipative à la logique contrôlée par charge.

Tunnel quantique

Tunnel quantique : Un électron se comporte comme une onde qui peut traverser une barrière isolante plus fine que sa longueur d'onde, permettant une probabilité de transmission même quand la physique classique prédit la réflexion.

Classiquement, un électron doit posséder assez d'énergie pour franchir une barrière ; sinon il réfléchit. La mécanique quantique permet une probabilité non-nulle de trouver l'électron de l'autre côté d'une barrière suffisamment fine. La probabilité de tunnel augmente drastiquement à mesure que l'épaisseur de la barrière diminue.

Diode à tunnel

Diode à tunnel : La diode à tunnel Esaki est un dispositif quantique précoce qui repose sur une région d'appauvrissement fortement dopée — environ 1000 fois le niveau de dopage d'un redresseur standard — rendant la barrière assez fine pour le tunnel quand elle est appropriément polarisée.

Diode à tunnel résonnant (RTD)

RTD : Une RTD est un dispositif quantique comportant deux barrières de tunnel séparées par un puits quantique. Les électrons traversent le dispositif quand l'énergie de la source s'aligne avec un niveau quantifié dans le puits, une condition connue comme résonance. Le courant monte à mesure que le biais approche la résonance, puis chute quand les énergies se désalignent à nouveau, permettant un comportement marche/arrêt naturel qui peut remplacer des paires de transistors conventionnels dans les cellules logiques.

Les RTD ont démontré des fréquences d'oscillation jusqu'à 712 GHz. Leur commutation marche/arrêt les rend attractives pour réduire le nombre de composants, la surface et la consommation d'énergie comparé aux circuits CMOS traditionnels. [GEP] [ERB]

Transistor à tunnel double couche (Deltt)

Deltt : Le Deltt consiste en deux puits conducteurs ultraminces (puits quantiques) séparés par un isolant à grand gap de bande comme GaAlAs. Quand les tensions de grille alignent les niveaux d'énergie des deux puits, les électrons traversent la barrière par tunnel, allumant le dispositif. Un biais excessif désaligne les niveaux, l'éteignant. Le dispositif se comporte comme un couple complémentaire sans nécessiter de transistors p- et n-type séparés, et fonctionne sur une alimentation ~100 mV.

Les prototypes Deltt ont fonctionné à 4,2 K, 77 K et 0 °C ; un fonctionnement à température ambiante est anticipé. [GEP] [IGB] [PFS]

Métal-Isolant-Isolant-Métal (MIIM)

Diode MIIM : Un dispositif de tunnel quantique utilisant deux couches isolantes entre électrodes métalliques. Les isolants doivent être plus fins que la longueur d'onde de de Broglie de l'électron. Sous polarisation directe, un puits quantique se forme entre les isolants, augmentant dramatiquement la probabilité de tunnel et produisant une caractéristique directe abrupte. Les diodes MIIM surpassent les diodes MIM conventionnelles en réponse en fréquence, atteignant 3,7 THz. L'ajout d'une troisième électrode convertit la structure en transistor. [PHI]

Transistor à point quantique

Un point quantique — un conducteur nanoscopique isolé — peut stocker des charges discrètes, un point de 1 à 3 nm retenant un seul électron. Quand un tel point est placé sur un isolant mince et couplé à une grille, la tension de grille peut aligner le niveau d'énergie du point avec la source, permettant à un seul électron de tunneler sur le point (la « boîte à électron unique »). En insérant le point entre source et drain, l'état de charge du point devient une modulation contrôlée par grille du courant source-drain, analogue à une RTD ou Deltt. Cette approche permet à un seul type de transistor de former une logique complémentaire. [GEP]

Transistor à électron unique

Quand deux barrières de tunnel entourent une minuscule île conductrice, l'ajout d'un seul électron change le potentiel de l'île si dramatiquement que le tunnel subséquent est bloqué — un phénomène appelé blocage de Coulomb. Ce mécanisme sous-tend les transistors à électron unique, qui requièrent typiquement des températures cryogéniques. Les îles à base de graphène, cependant, ont démontré un fonctionnement à température ambiante. [GEP]

Transistors graphène et nanotubes de carbone

Transistor graphène : Le graphène, une feuille de carbone monoatomique, présente une conductivité exceptionnelle sans dopage. Les transistors fabriqués avec grilles graphène montrent une faible dissipation de puissance et des vitesses de commutation élevées, positionnant le graphène comme remplaçant potentiel du silicium. Les points quantiques graphène permettent le comportement transistor à électron unique à température ambiante. [AKG] [JWA]

Transistor nanotube de carbone : Enrouler une feuille de graphène en tube produit un conducteur 1-dimensionnel supportant le transport balistique, minimisant la diffusion. Tant les nanotubes métalliques que semiconducteurs ont été intégrés dans des transistors à effet de champ, offrant des alternatives plus petites, plus rapides et à plus faible puissance que le silicium. [MBR] [PNG]

Spintronique

La spintronique exploite le spin de l'électron — haut ou bas — comme état binaire, permettant stockage de données et logique avec dissipation d'énergie minimale. Les jonctions tunnel magnétiques (MTJ) consistent en deux couches ferromagnétiques séparées par un isolant mince ; la résistance de la jonction dépend de l'alignement de spin relatif. L'ajout d'une couche de pincement antiferromagnétique stabilise l'aimantation de référence, améliorant la sensibilité lecture/écriture. Les réseaux MTJ intégrés dans des tranches silicium fournissent une mémoire non-volatile, haute vitesse, qui existe déjà dans des produits commerciaux. [WJG] [IBM] [TLE]

De futurs transistors spin, bien que pas encore réalisés, pourraient permettre des portes logiques propageant le spin sans mouvement de charge, réduisant dramatiquement l'usage de puissance. L'injection de spin via contacts ferromagnétiques ou lumière polarisée circulairement a été démontrée, ouvrant des voies vers l'électronique spin-based. [DDA] [RCJ2]

RÉVISION :

• L'amincissement de l'oxyde de grille dans les transistors MOS cause fuite inacceptable et chauffage, marquant la limite pratique de la miniaturisation conventionnelle.
• Les diodes à tunnel résonnant utilisent le tunnel quantique pour atteindre amplification haute vitesse, basse puissance.
• Les transistors Deltt contrôlent le tunnel entre puits quantiques, permettant logique complémentaire sans dispositifs p- et n- séparés.
• Les transistors à points quantiques remplacent la grille par une île à électron unique, modulant le courant par blocage de Coulomb.
• La spintronique manipule le spin électronique plutôt que la charge, offrant traitement de données non-dissipatif.

FEUILLES DE TRAVAIL ASSOCIÉES :

• Feuille de travail : Conduction électrique dans les semi-conducteurs