Nouveaux défis pour concepteurs de puces informatiques
Pour mettre au point les puces informatiques de demain, leurs concepteurs devront comprendre le fonctionnement d’une charge électrique lorsqu’elle est confinée dans des fils métalliques d’un diamètre à peine aussi large que quelques atomes.
Une équipe de physiciens de l’Université McGill et des chercheurs du Centre de recherche et développement de General Motors ont démontré que le courant électrique pouvait être considérablement réduit lorsque des fils composés de métaux différents entrent en contact. Cette surprenante baisse de courant pourrait constituer un défi de taille susceptible d’influer sur le choix des matériaux et la conception des dispositifs dans le domaine de la nanoélectronique, un secteur en émergence.
La taille des dispositifs entrant dans la composition des circuits électroniques diminue d’année en année, conformément à la course à la miniaturisation décrite dans la Loi de Moore, selon laquelle le nombre de transistors que peut comporter un circuit intégré double tous les 18 mois environ. Bien que ces progrès constants aient rendu possibles les ordinateurs de poche, ils soulèvent néanmoins de sérieux enjeux. Si la taille des dispositifs se mesure maintenant à la largeur de quelques atomes, leur résistance au courant n’augmente plus à un rythme constant; en fait, la résistance est instable et présente les effets contre-intuitifs de la mécanique quantique, affirme Peter Grütter, professeur de physique à McGill.
« On pourrait comparer ce phénomène à un boyau d’arrosage », explique le professeur Grütter. « Si la pression d’eau demeure constante, une diminution du diamètre du boyau se traduira par une réduction du débit. Mais si vous réduisez la taille du boyau jusqu’à ce que son diamètre atteigne la largeur de deux ou trois atomes, le débit cessera de diminuer à un rythme proportionnel à la section transversale; il variera alors de façon aléatoire. »
C’est exactement cette « folie quantique » que les chercheurs de l’Université McGill et de General Motors ont observée et décrite dans un article publié récemment dans la revue Proceedings de l’Académie nationale des sciences. Les scientifiques ont étudié un contact infiniment petit entre l’or et le tungstène, deux métaux utilisés en association dans la fabrication de puces informatiques afin de relier différents composants fonctionnels d’un même dispositif.
L’équipe du laboratoire du professeur Grütter a fait appel à des techniques microscopiques d’avant-garde pour obtenir des images d’une précision de l’ordre de l’atome d’une sonde en tungstène et d’une surface en or qu’ils ont mises en contact mécaniquement de manière précise et contrôlée. Le courant électrique traversant le point de contact était beaucoup plus faible que prévu. Un modèle mécanique de la structure atomique de ce point de contact a été réalisé en collaboration avec Yue Qi, chercheuse scientifique au Centre de recherche et développement de General Motors, à Warren, au Michigan.
Un modèle électrique à la fine pointe de la technologie réalisé par Jesse Maassen, de l’équipe de recherche de Hong Guo, professeur de physique à l’Université McGill, a permis de confirmer ces résultats et d’observer que des disparités au niveau de la structure électronique de ces deux métaux réduisaient de quatre fois la circulation du courant, et ce, même en présence d’une interface parfaite. Les chercheurs ont également découvert que des défauts cristallins – discontinuité dans l’agencement normal des atomes apparus lors de la mise en contact mécanique des deux matériaux contribuaient également à la baisse de courant.
« Cette baisse de courant est dix fois plus importante que celle initialement prévue par les experts », précise le professeur Grütter.
Les résultats de cette étude soulignent la nécessité de poursuivre la recherche afin de surmonter ce problème. Le choix des matériaux et le recours à d’autres techniques de traitement pourraient constituer des pistes de solution. « La première étape vers une solution consiste à prendre conscience du problème », affirme le professeur Grütter. « C’est la première fois que des chercheurs démontrent qu’il s’agit d’un problème important pour les systèmes nanoélectroniques. »
Ces travaux ont été financés par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, le Fonds québécois de la recherche sur la nature et les technologies et l’Institut canadien de recherche avancée.