Un four à micro-ondes domestique modifié par un professeur de Cornell Engineering aide à préparer la prochaine génération de téléphones portables, d’ordinateurs et d’autres appareils électroniques après que l’invention ait démontré qu’elle surmontait un défi majeur auquel l’industrie des semi-conducteurs était confrontée.

La recherche est détaillée dans un article publié le 3 août dans Applied Physics Letters . L’auteur principal est James Hwang , professeur-chercheur au Département de science et génie des matériaux ; les autres contributeurs de Cornell sont le doctorant Chandrasekhar Savant et l’ancien chercheur postdoctoral Mohammed Javad Asadi.

La production des matériaux qui composent les transistors et autres composants de micropuces est similaire à la cuisson en ce sens que les ingrédients des matériaux doivent être mélangés puis chauffés, entre autres étapes, afin de produire un courant électrique souhaité. Par exemple, du phosphore est ajouté au silicium, puis le mélange est recuit ou chauffé pour positionner les atomes de phosphore au bon endroit afin qu’ils soient actifs dans la conduction du courant.

Mais à mesure que les micropuces continuent de rétrécir, le silicium doit être dopé, ou mélangé, avec des concentrations plus élevées de phosphore pour produire le courant souhaité. Les fabricants de semi-conducteurs approchent maintenant d’une limite critique dans laquelle le chauffage des matériaux hautement dopés à l’aide de méthodes traditionnelles ne produit plus de semi-conducteurs fonctionnels de manière cohérente.

« Nous avons besoin de concentrations de phosphore supérieures à sa solubilité à l’équilibre dans le silicium. Cela va contre nature », a déclaré James Hwang. « Le cristal de silicium se dilate, provoquant une immense tension et le rendant potentiellement inutile pour l’électronique. »

La Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) avait émis l’hypothèse que les micro-ondes pouvaient être utilisées pour activer les dopants en excès, mais tout comme avec les fours à micro-ondes domestiques qui chauffent parfois les aliments de manière inégale, les précédents recuits à micro-ondes produisaient des «ondes stationnaires» qui empêchaient une activation constante des dopants. TSMC s’est donc associé à Hwang, qui a modifié un four à micro-ondes pour contrôler sélectivement l’endroit où les ondes stationnaires se produisent. Une telle précision permet la bonne activation des dopants sans échauffement excessif ni endommagement du cristal de silicium.

Cette découverte pourrait être utilisée pour produire des matériaux semi-conducteurs et de l’électronique apparaissant vers l’an 2025, a déclaré Hwang, qui a déposé deux brevets pour le prototype de recuit micro-ondes avec le chercheur postdoctoral Gianluca Fabi.

« Quelques fabricants produisent actuellement des matériaux semi-conducteurs de 3 nanomètres », a précisé James Hwang. « Cette nouvelle approche micro-ondes peut potentiellement permettre aux principaux fabricants tels que TSMC et Samsung de réduire à seulement 2 nanomètres. »

Cette percée pourrait modifier la géométrie des transistors utilisés dans les micropuces. Pendant plus de 20 ans, les transistors ont été conçus pour se tenir debout comme des nageoires dorsales afin que davantage puisse être emballé sur chaque micropuce, mais les fabricants ont récemment commencé à expérimenter une nouvelle architecture dans laquelle les transistors sont empilés horizontalement sous forme de nanofeuilles qui peuvent encore augmenter le densité et contrôle des transistors. Les matériaux excessivement dopés permis par le recuit micro-ondes seraient la clé de la nouvelle architecture.

La recherche a été soutenue par le ministère des Sciences et de la Technologie de Taïwan, et la poursuite de la recherche est soutenue par une subvention Ignite: Cornell Research Lab to Market du Cornell’s Center for Technology Licensing .

https://news.cornell.edu/stories/2022/09/modified-microwave-oven-cooks-next-gen-semiconductors