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L'électronique moderne a véritablement démarré lorsque ces trois chercheurs des Bell Labs, William Shockley, John Bardeen et Walter Brattain, ont créé le transistor à point de contact en 1947. Avant cela, tout reposait sur les tubes à vide volumineux, gourmands en énergie et sujets aux pannes. Les nouveaux dispositifs semi-conducteurs qu'ils ont développés étaient beaucoup plus petits, consommaient bien moins d'électricité et permettaient une réduction drastique de la taille des appareils. Quelques années plus tard, en 1951, Shockley a mis au point sa propre version appelée le transistor à jonction, qui s'est révélé plus performant avec le temps et a rendu la fabrication de ces composants praticable pour une utilisation généralisée dans divers secteurs industriels. Cela a essentiellement ouvert la voie à toutes sortes d'innovations électroniques que nous considérons aujourd'hui comme allant de soi.
Le premier autres appareils de traitement des gaz s'appuyaient sur le germanium car il fonctionnait assez bien comme matériau semi-conducteur. Cependant, un problème survenait lorsque les températures dépassaient environ 75 degrés Celsius, ce qui les rendait peu fiables pour la plupart des applications industrielles. Les choses ont changé vers le milieu des années 1960, lorsque le silicium a commencé à s'imposer comme le matériau de prédilection. Le silicium pouvait supporter des températures beaucoup plus élevées, présentait une fuite de courant moindre et était plus compatible avec les isolants à base d'oxyde qui devenaient standard dans l'industrie. À mesure que les méthodes de croissance des cristaux et d'ajout d'impuretés par dopage se sont améliorées, les fabricants ont commencé à produire des tranches de silicium de manière uniforme. Ce progrès s'est révélé essentiel pour rendre les semi-conducteurs de plus en plus petits et puissants au fil du temps.
En 1958, Jack Kilby chez Texas Instruments et Robert Noyce de Fairchild Semiconductor ont mis au point quelque chose de révolutionnaire : le circuit intégré. Ce petit bijou a permis de regrouper tous les composants électroniques séparés sur un seul morceau de silicium, au lieu de les disperser sur une carte. En avant rapide jusqu'au milieu des années 70, où l'intégration à grande échelle s'est développée, intégrant des dizaines de milliers de minuscules transistors sur chaque puce. Cela correspondait exactement à ce que Gordon Moore avait prédit auparavant concernant le doublement de la puissance informatique tous les deux ans environ. Avec le temps, les améliorations apportées à des techniques comme la photolithographie ou à de meilleures méthodes de fabrication de puces plates ont consolidé durablement le rôle du silicium en tant que roi du monde numérique. Ces avancées ont rendu possibles non seulement nos ordinateurs du quotidien, mais aussi des objets comme les smartphones, les serveurs qui font fonctionner les sites web, ou encore certaines parties des centres de données modernes qui maintiennent Internet en marche.
La loi de Moore établit essentiellement que le nombre de transistors sur une puce double environ tous les deux ans, ce qui guide l'évolution informatique depuis la célèbre prédiction formulée par Gordon Moore en 1965. En examinant les chiffres, on observe que la taille des transistors est passée d'environ 10 micromètres dans les années 70 à moins de 5 nanomètres aujourd'hui en 2023, ce qui a considérablement amélioré à la fois la vitesse et l'efficacité énergétique de ces puces. Il existait un phénomène appelé mise à l'échelle de Dennard qui permettait de maintenir une consommation d'énergie stable à mesure que les transistors rétrécissaient, mais cela a commencé à s'effondrer vers 2004 en raison de problèmes liés aux courants de fuite et à la gestion thermique. Selon un récent rapport sur la mise à l'échelle des semi-conducteurs datant de 2024, tout ceci a conduit l'industrie à changer de stratégie en privilégiant l'utilisation de plusieurs cœurs plutôt que d'accélérer les cœurs individuels, si bien que les fabricants misent désormais davantage sur le traitement parallèle que sur l'augmentation des fréquences d'horloge.
Lorsque nous atteignons des dimensions inférieures à 5 nm, les choses deviennent vraiment délicates en raison du tunnel quantique et des capacitances parasites gênantes. Les électrons ne se comportent plus comme prévu, ils ont tendance à franchir furtivement les barrières de grille par effet tunnel. Cela crée toutes sortes de courants de fuite qui peuvent consommer environ 30 % de la puissance totale d'une puce, selon les recherches de Ponemon de l'année dernière. Et la situation s'aggrave lorsqu'on examine les effets de courte canalisation, qui perturbent la stabilité de la tension de seuil. Les variations augmentent d'environ 15 % à ces nœuds minuscules, comme indiqué dans les études de l'IEEE en 2022. Tous ces problèmes s'accumulent et rendent la gestion de la densité de puissance extrêmement difficile. En conséquence, les fabricants ont dû investir massivement dans des systèmes de refroidissement sophistiqués, ce qui ajoute généralement entre 20 % et 40 % aux coûts de fabrication globaux pour ces puces de pointe.
Le nombre de transistors continue d'augmenter, mais les méthodes traditionnelles de miniaturisation n'ont plus beaucoup la cote auprès des spécialistes. Selon un sondage IEEE de l'année dernière, environ deux tiers des ingénieurs en semi-conducteurs pensent que la loi de Moore a pratiquement atteint une limite. Seulement environ un sur dix s'attend à voir apparaître prochainement des puces en silicium pratiques inférieures à 1 nm. La plupart des entreprises déplacent leur attention vers l'empilement 3D de puces et l'intégration de composants différents plutôt que de chercher à tout réduire en un seul élément. À la lumière des tendances récentes, le monde technologique semble accorder moins d'importance à la taille des transistors et davantage à l'efficacité avec laquelle les systèmes entiers fonctionnent ensemble. Cela marque un changement significatif dans la manière d'évaluer les véritables progrès du développement des semi-conducteurs.
Passer des transistors plats planaires aux structures 3D FinFET a été un véritable changement de paradigme pour un meilleur contrôle de l'électricité. Le principe consiste à entourer complètement la grille autour d'une petite ailette en silicium verticale, ce qui réduit les fuites indésirables et permet de réduire les dimensions au-delà de 22 nanomètres. Sont ensuite apparus les transistors à nanolames, qui ont poussé ce concept encore plus loin, permettant aux ingénieurs d'ajuster la largeur des canaux conducteurs selon les tensions à gérer. D'après ce que l'industrie a constaté, ces conceptions tridimensionnelles restent efficaces même à des échelles inférieures à 3 nm, ce qui n'était plus réalisable avec les anciennes architectures planaires dès qu'on atteignait environ 28 nm, car les problèmes de fuite et de consommation d'énergie inutile devenaient totalement ingérables.
La conception du transistor Gate-all-around (GAA) fait passer la technologie FinFET au niveau supérieur en enveloppant complètement le canal avec du matériau de grille depuis toutes les directions. Cette couverture totale permet un contrôle beaucoup plus précis des propriétés électriques et réduit les fuites indésirables d'environ 40 pour cent. De plus, ces dispositifs changent d'état plus rapidement et fonctionnent efficacement lorsqu'ils sont miniaturisés au-delà du seuil de 2 nm. Par ailleurs, les structures Complementary FET (CFET) vont encore plus loin en superposant verticalement des transistors de type n et de type p. Ce dispositif ingénieux double le nombre de composants logiques pouvant tenir dans le même espace, sans nécessiter une surface supplémentaire sur la puce. Les approches GAA et CFET permettent de résoudre certains problèmes majeurs auxquels les fabricants sont confrontés lorsqu'ils tentent de gérer les effets électrostatiques et d'optimiser les agencements à mesure que les dimensions des composants semiconducteurs se rapprochent de l'échelle atomique.
Les principaux fondeurs de semiconducteurs s'approchent désormais de procédés de fabrication inférieurs à 2 nm, bien que les transistors gate-all-around (GAA) ne devraient atteindre une production de masse qu'autour de 2025 selon les projections actuelles. La plupart des feuilles de route industrielles visent désormais à améliorer les performances tout en consommant moins d'énergie, plutôt que de simplement intégrer davantage de transistors sur les puces. Certaines installations pilotes ont commencé à expérimenter des techniques de hybrid bonding pour créer ces structures 3D monolithiques sophistiquées, ce qui montre que les entreprises adoptent une vision plus globale du fonctionnement des systèmes entiers. Le déploiement progressif de ces technologies explique pourquoi autant d'investissements continuent d'affluer vers des équipements de lithographie de pointe et des systèmes avancés de dépôt. Sans ces mises à niveau coûteuses, l'ensemble de l'industrie stagnerait rapidement.
L'intégration 3D monolithique permet aux fabricants de créer plusieurs couches actives sur un seul substrat en utilisant des techniques de fabrication séquentielles. Lorsqu'elle est combinée à la technologie CMOS empilée, cette configuration rend possible l'intégration de circuits logiques directement à côté des composants mémoire. On voit désormais des éléments comme la SRAM placés directement sous les cœurs de calcul. Toutefois, les problèmes liés aux dissipations thermiques entre les couches et au transfert des signaux d'une couche à l'autre persistent. Néanmoins, les récents progrès réalisés dans les méthodes de fabrication à basse température, ainsi qu'une amélioration des vias traversant le silicium (ces minuscules connexions qui traversent directement les plaquettes de silicium), laissent penser que des produits concrets pourraient arriver sur le marché vers 2026, notamment pour les accélérateurs d'intelligence artificielle et les dispositifs de calcul en périphérie. Certains experts estiment que ce type de mise à l'échelle spatiale pourrait maintenir la loi de Moore en vigueur pendant encore environ dix ans, avant d'atteindre une nouvelle limite.
Les matériaux appelés dichalcogénures de métaux de transition, ou TMD en abrégé, comprennent des substances comme le disulfure de molybdène (MoS2) et le diséléniure de tungstène (WSe2). Ces matériaux sont extrêmement fins au niveau atomique et permettent aux électrons de circuler assez rapidement. Lorsqu'on examine des composants semi-conducteurs très petits, ces TMD peuvent atteindre des rapports courant activé/désactivé supérieurs à 10 puissance 8 lorsqu'ils fonctionnent à seulement 0,7 volt. Cela représente environ 74 pour cent de mieux que ce que le silicium peut faire, selon certaines recherches récentes menées par IMEC en 2023. La manière dont ces matériaux s'empilent en couches permet de contrôler efficacement les effets indésirables de court-canal, même lorsque les dimensions descendent à environ 5 nanomètres. En raison de cette propriété, de nombreux chercheurs estiment que les TMD pourraient devenir des éléments clés dans la fabrication des puces informatiques de prochaine génération et d'autres dispositifs logiques dans les années à venir.
Malgré leur potentiel, l'adoption généralisée des TMD est entravée par les densités de défauts lors du dépôt à l'échelle des plaquettes. L'épitaxie en zone sélective a réduit les états pièges de 63 %, mais une densité de défauts inférieure à 3 % reste nécessaire pour une fabrication à grande échelle — un niveau qui n'a été atteint jusqu'à présent que dans des environnements de laboratoire (Feuille de route des semiconducteurs 2024).
Les transistors fabriqués à partir de nanotubes de carbone peuvent effectivement déplacer les électrons en ligne droite sans diffusion lorsqu'ils mesurent environ 15 nanomètres de long. Cela leur confère des vitesses de commutation presque trois fois plus rapides par rapport à la technologie traditionnelle en silicium FinFET. Mais il y a un inconvénient. Les chercheurs ont encore du mal à contrôler la chiralité (qui détermine les propriétés électriques) et à obtenir des résultats de dopage cohérents, ce qui rend difficile la production régulière de dispositifs fiables. Le graphène présente un autre cas intéressant. Bien qu'il possède une conductivité exceptionnelle, il ne dispose pas naturellement d'une bande interdite, ce qui le rend inadapté aux circuits numériques classiques. Toutefois, des travaux prometteurs sont en cours avec des combinaisons de couches de graphène et de nitrure de bore hexagonal. Ces structures hybrides pourraient trouver des applications spécifiques dans des domaines où leurs caractéristiques uniques pourraient être exploitées efficacement.
La poussée pour intégrer les matériaux 2D dans la fabrication courante s'est concentrée sur des méthodes de dépôt en couche atomique compatibles avec les diélectriques à haute permittivité comme l'HZO. Des données récentes d'un groupe industriel en 2024 montrent que la plupart des installations de fabrication testent déjà des équipements destinés à ces matériaux. Environ huit lignes sur dix disposent désormais d'un outillage adapté au traitement des matériaux 2D. Toutefois, un problème subsiste en fin de production, où de nouvelles interconnexions métalliques doivent être réalisées. Le problème provient de la sensibilité à la chaleur, car de nombreux procédés ne peuvent dépasser 400 degrés Celsius sans endommager les composants. Cette limitation thermique oblige les ingénieurs à trouver des solutions créatives pour connecter correctement ces matériaux avancés sans compromettre leurs performances.
Le nombre d'appareils IoT devrait atteindre environ 29 milliards d'ici 2030, ce qui signifie que les transistors doivent consommer moins de 1 microampère en mode veille afin de maintenir un fonctionnement efficace. Des recherches récentes ont montré que les circuits en dessous du seuil, ainsi que les transistors à effet de champ tunnel dont on entend parler récemment, peuvent réduire les courants de fuite d'environ 60 pour cent par rapport à la technologie MOSFET standard. Qu'est-ce que cela signifie concrètement pour les applications du monde réel ? Cela permet à des systèmes de surveillance environnementale, ainsi qu'à certains dispositifs médicaux implantables, de fonctionner pendant des années sur une seule charge tout en conservant suffisamment de puissance de traitement pour accomplir correctement leur tâche. L'industrie des semi-conducteurs pousse fortement ces innovations, car elle sait à quel point des batteries durables deviennent essentielles dans de nombreux domaines différents.
Les derniers transistors en carbure de silicium (SiC) et en nitrure de gallium (GaN) atteignent environ 99,3 % d'efficacité lorsqu'ils sont utilisés dans des onduleurs solaires, ce qui permet de réduire d'environ 2,1 millions de tonnes les émissions de CO2 chaque année à l'échelle mondiale. Selon des études récentes issues de rapports sur les infrastructures énergétiques, ces composants de commutation avancés ont permis de réduire les pertes électriques d'environ 40 % dans les applications de réseaux intelligents depuis les chiffres enregistrés en 2020. Les fabricants se tournent désormais également vers des techniques d'emballage au niveau des plaquettes. Cette approche réduit non seulement les pertes résistives gênantes, mais s'intègre également bien aux équipements de fabrication actuels de 300 mm sans nécessiter de profonds remaniements des installations de production.
Les puces neuromorphiques utilisant des transistors à effet de champ ferroélectriques (FeFET) atteignent une efficacité énergétique jusqu'à 1 000 fois supérieure par opération synaptique par rapport aux GPU, permettant un déploiement efficace de l'IA en périphérie du réseau. Les transistors organiques à couche mince souples atteignent désormais des mobilités de 20 cm²/V·s et résistent à 500 cycles de flexion, permettant la réalisation de dispositifs médicaux durables et lavables.
La conception moderne des transistors équilibre le courant passant (ION), la vitesse de commutation, le coût et la durabilité selon les besoins applicatifs. Les transistors pour l'automobile fonctionnent de manière fiable à 175 °C, tandis que les variantes biomédicales satisfont à des exigences strictes de taux de défaillance de 0,1 % sur une durée de vie de 15 ans. Cette approche spécifique à l'application garantit que les avancées technologiques se traduisent par une fiabilité et une valeur concrètes.
Quelle a été la percée majeure réalisée par Bell Labs en 1947 ?
En 1947, les scientifiques des Bell Labs ont inventé le transistor à contact ponctuel. Cela a permis aux dispositifs électroniques de devenir beaucoup plus petits et plus efficaces par rapport aux tubes à vide utilisés auparavant.
Pourquoi le silicium est-il devenu le matériau privilégié par rapport au germanium dans les transistors ?
Le silicium a remplacé le germanium comme matériau semi-conducteur préféré au milieu des années 1960, car il supporte des températures plus élevées, présente moins de fuites et fonctionne mieux avec les isolants à base d'oxyde.
Qu'est-ce que la loi de Moore et pourquoi est-elle importante ?
La loi de Moore prédit que le nombre de transistors sur une puce doublera environ tous les deux ans, stimulant ainsi les progrès en matière de puissance de calcul et d'efficacité.
Quelles sont les technologies FinFET et GAA ?
Les technologies FinFET et Gate-All-Around (GAA) sont des architectures avancées de transistors qui offrent un meilleur contrôle électrique et réduisent les fuites, ce qui les rend adaptées à des tailles de puce plus petites.
Quels sont les matériaux 2D et quel est leur rôle dans la technologie des transistors ?
les matériaux 2D, tels que les TMD, contiennent des couches atomiques fines qui permettent un meilleur déplacement des électrons, offrant ainsi des avantages potentiels en termes d'efficacité par rapport aux couches de silicium traditionnelles pour les semiconducteurs futurs.
Comment l'innovation dans les transistors contribue-t-elle à l'efficacité énergétique ?
L'innovation dans les transistors, incluant des conceptions à très faible consommation et des matériaux écoénergétiques, réduit considérablement la consommation d'énergie dans les dispositifs IoT, la technologie solaire et les réseaux intelligents.