Ordinateurs de nouvelle génération : un nouveau matériau de câblage pourrait transformer la technologie des puces
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Les progrès technologiques rapides de notre monde ont été rendus possibles par notre capacité à concevoir et à fabriquer des puces électroniques de plus en plus petites. Ces puces sont à la base des ordinateurs, des téléphones portables et de tous les appareils intelligents déployés à ce jour.
L'un des nombreux défis est que les composants électroniques génèrent de plus en plus de chaleur à mesure qu'ils sont miniaturisés. Un problème majeur consiste à rendre les fils qui relient les transistors sur la puce plus fins tout en garantissant une quantité minimale de chaleur dégagée.
Ces interconnexions sont généralement constituées de cuivre et, à mesure que nous les réduisons à l'échelle nanométrique, leur résistance électrique augmente rapidement, car les électrons qui se déplacent le long des fils ont une probabilité plus élevée d'entrer en collision avec la surface du fil. Ce phénomène, appelé diffusion, entraîne la libération d'énergie sous forme de chaleur résiduelle, ce qui signifie que vous avez besoin de plus de puissance pour maintenir le même niveau de performance.
Une équipe de l'Université de Stanford a publié une nouvelle étude montrant que les couches minces d'un matériau connu sous le nom de phosphure de niobium (NbP) présentent une conductivité bien supérieure à celle du cuivre en dessous d'une épaisseur de 5 nanomètres (nm) (l'épaisseur typique du câblage des puces actuelles est d'environ 10 à 30 nm). Cette amélioration est due au fait que le NbP est un matériau aux propriétés quantiques uniques.
Le NbP fait partie d'une classe de matériaux appelés matériaux topologiques, qui possèdent des propriétés électroniques uniques en raison de leur structure atomique et ont fait l'objet du prix Nobel de physique en 2016. Leur conductivité le long de la surface est extrêmement élevée et reste la même quels que soient les changements de forme ou de taille du matériau (les physiciens parlent d'un « état de surface protégé topologiquement »).
En d'autres termes, il est robuste et ne se détruit pas facilement en le remodelant. Même lorsque le matériau est aminci, plié ou doté de stries, les propriétés conductrices particulières que l'on peut observer à la surface restent présentes.
C'est un point important, car la capacité à réduire l'épaisseur des interconnexions électriques tout en permettant à l'électricité de circuler facilement est essentielle pour équilibrer le coût et la complexité de fabrication par rapport à l'efficacité énergétique. Cela confère au NbP un avantage significatif par rapport aux autres matériaux.
Désordre vs ordre
Ce qui est particulièrement remarquable dans la découverte de l’équipe de Stanford est que ces propriétés quantiques ont été observées dans des films désordonnés, ce qui signifie que le phosphure de niobium n’a pas été fabriqué de la manière la plus contrôlée pour maximiser ses propriétés conductrices.
Il existe une bonne analogie avec la fabrication de barres de chocolat : il est essentiel de contrôler le processus de refroidissement du chocolat fondu pour créer le produit final brillant auquel vous êtes habitué. Ce processus est connu sous le nom de tempérage. Quiconque a déjà essayé cette méthode sait probablement à quel point la version non tempérée peut être terne et molle, et comment elle affecte le goût.
La différence entre le chocolat tempéré et le chocolat non tempéré réside dans la taille des cristaux individuels au sein de la structure du chocolat (ou, pour le dire autrement, dans la quantité d'ordre). Le chocolat non tempéré contient plusieurs petits cristaux désordonnés les uns par rapport aux autres. Pour fabriquer du chocolat tempéré, un fabricant le refroidira de manière contrôlée et ajoutera également un morceau de chocolat tempéré pour favoriser la croissance d'une structure cristalline uniforme.
Imaginez maintenant à quel point il serait utile de pouvoir simplement se passer de cette étape de trempe. Non seulement cela rendrait le processus de production plus efficace, mais cela pourrait également réduire l’énergie nécessaire. C’est essentiellement ce que l’équipe de Stanford a démontré avec son matériau.
En termes techniques, le phosphure de niobium n'avait pas d'ordre à longue distance. Cela signifie que même s'il pouvait contenir certains des petits cristaux que l'on associerait à une version optimale, le matériau était considéré comme un alliage globalement désordonné.
Malgré cela, il s’agissait d’un excellent conducteur pour un film ultrafin, apparemment en raison du phénomène quantique exotique des états de surface protégés topologiquement. Si cet effet peut se produire même dans un matériau désordonné, il simplifie grandement le processus de fabrication, avec des conséquences positives sur les coûts.
Cela montre comment les effets quantiques pourraient conduire à des améliorations significatives de la conductivité, nous permettant potentiellement de produire des puces informatiques plus puissantes et plus économes en énergie dans un avenir proche. Une question importante est de savoir si suffisamment de phosphure de niobium pourrait être disponible à des fins de fabrication.
Bien que ce ne soit pas notre domaine, le phosphore est presque aussi abondant que le carbone dans la croûte terrestre, tandis que le niobium est environ un tiers moins abondant que le cuivre, à peu près comparable au cobalt et au nickel. Cela suggère que l'offre est suffisante, même si les spécialistes devraient évaluer le coût relatif de l'extraction de ces éléments à partir de leurs minerais.
Pour ceux d’entre nous qui travaillent dans ce domaine, cette découverte soulève également la question de savoir si d’autres matériaux topologiques tels que le phosphure de tantale et l’arséniure de tantale pourraient se comporter de la même manière. En outre, quel est l’ingrédient essentiel que possèdent les échantillons de NbP pour qu’ils agissent de cette manière ? Ces questions continueront de mobiliser les scientifiques dans leur recherche de solutions pour permettre les technologies informatiques à faible consommation d’énergie du futur.
https://techxplore.com/news/2025-01-generation-wiring-material-chip-technology.html
https://engineering.stanford.edu/news/new-ultrathin-conductor-nanoelectronics