Un nouveau type de transistor pourrait réduire les appareils de communication sur les smartphones

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Un mois après avoir annoncé un semi-conducteur ferroélectrique à la finesse nanométrique requise pour les composants informatiques modernes, une équipe de l’Université du Michigan a fait la démonstration d’un transistor reconfigurable utilisant ce matériau.

L’étude est un article vedette dans Lettres de physique appliquée.

« En réalisant ce nouveau type de transistor, il ouvre la possibilité d’intégrer des dispositifs multifonctionnels, tels que des transistors reconfigurables, des filtres et des résonateurs, sur la même plate-forme, tout en fonctionnant à très haute fréquence et haute puissance », a déclaré Zetian Mi, Professeur de génie électrique et informatique de l’UM qui a dirigé la recherche, « Cela change la donne pour de nombreuses applications. »

À son niveau le plus basique, un transistor est une sorte d’interrupteur, laissant passer un courant électrique ou l’empêchant de passer. Celui démontré au Michigan est connu sous le nom de transistor ferroélectrique à haute mobilité électronique (FeHEMT) – une torsion sur les HEMT qui peut augmenter le signal, connu sous le nom de gain, tout en offrant une vitesse de commutation élevée et un faible bruit. Cela les rend bien adaptés comme amplificateurs pour envoyer des signaux aux tours cellulaires et aux routeurs Wi-Fi à haute vitesse.

Les semi-conducteurs ferroélectriques se distinguent des autres car ils peuvent supporter une polarisation électrique, comme la version électrique du magnétisme. Mais contrairement à un aimant de réfrigérateur, ils peuvent basculer entre les extrémités positives et négatives. Dans le contexte d’un transistor, cette capacité ajoute de la flexibilité – le transistor peut modifier son comportement.

« Nous pouvons rendre notre HEMT ferroélectrique reconfigurable », a déclaré Ding Wang, chercheur en génie électrique et informatique et premier auteur de l’étude. « Cela signifie qu’il peut fonctionner comme plusieurs appareils, comme un amplificateur fonctionnant comme plusieurs amplificateurs que nous pouvons contrôler dynamiquement. Cela nous permet de réduire la surface du circuit et de réduire le coût ainsi que la consommation d’énergie. »

Les domaines d’intérêt particulier pour ce dispositif sont les communications radiofréquences et micro-ondes reconfigurables ainsi que les dispositifs de mémoire dans les systèmes électroniques et informatiques de nouvelle génération.

« En ajoutant de la ferroélectricité à un HEMT, nous pouvons rendre la commutation plus nette. Cela pourrait permettre une consommation d’énergie beaucoup plus faible en plus d’un gain élevé, ce qui rend les appareils beaucoup plus efficaces », a déclaré Ping Wang, chercheur en génie électrique et informatique et également le co-auteur correspondant de la recherche.

Le semi-conducteur ferroélectrique est composé de nitrure d’aluminium enrichi de scandium, un métal parfois utilisé pour fortifier l’aluminium dans les vélos de performance et les avions de chasse. Il s’agit du premier semi-conducteur ferroélectrique à base de nitrure, ce qui lui permet d’être intégré au nitrure de gallium semi-conducteur de nouvelle génération. Offrant des vitesses jusqu’à 100 fois supérieures à celles du silicium, ainsi qu’une efficacité élevée et un faible coût, les semi-conducteurs au nitrure de gallium sont en lice pour remplacer le silicium en tant que matériau préféré pour les appareils électroniques.

« Il s’agit d’une étape cruciale vers l’intégration des ferroélectriques à base de nitrure avec l’électronique grand public », a déclaré Mi.

Le nouveau transistor a été développé en utilisant l’épitaxie par faisceau moléculaire, la même approche utilisée pour fabriquer des cristaux semi-conducteurs qui pilotent les lasers dans les lecteurs de CD et de DVD.

L’Université du Michigan a déposé une demande de protection par brevet. Les premiers travaux menant à cette étude ont été financés par l’Office of Naval Research et la Blue Sky Initiative de l’UM College of Engineering.

L’appareil a été construit dans l’installation de nanofabrication de Lurie et étudié au Michigan Center for Materials Characterization.

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