Examen de l’influence des défauts sur les circuits électroniques intégrés 2D

Pendant des décennies, les transistors – le cœur des puces informatiques – sont devenus de plus en plus petits. En conséquence, les composants électroniques de nombreux appareils peuvent être rendus encore plus compacts, plus rapides et également plus puissants. Mais ce développement est-il en train de s’arrêter naturellement ? Plus les composants sont petits, plus le risque que des défauts individuels dans la structure atomique modifient de manière significative le comportement du composant est grand. Cela s’applique à la technologie du silicium établie et aux nouvelles nanotechnologies basées sur des matériaux 2D.

À l’Université de technologie de Vienne (TU Wien), un travail intensif a été effectué sur la description physique de ce problème au niveau du transistor. Aujourd’hui, les chercheurs vont plus loin et s’intéressent à l’influence des défauts au niveau des circuits électroniques, parfois constitués de plusieurs voire de milliards de transistors. Dans certains cas, des transistors individuels peuvent fonctionner en dehors de la spécification souhaitée, mais fonctionnent toujours bien dans le cadre d’un circuit composé de plusieurs transistors. Avec cette nouvelle approche au niveau du circuit, des avancées significatives dans la miniaturisation sont encore possibles.

L’étude est publiée dans la revue Matériaux avancés.

Petits composants, grosses erreurs

“Les plus petits transistors d’aujourd’hui ne mesurent que quelques nanomètres”, explique Michael Waltl de l’Institut de microélectronique de la TU Wien. “Donc, on est passé à l’échelle atomique.” Mais les transistors ne sont jamais parfaits au niveau atomique : Parfois, un atome peut être au mauvais endroit, et parfois la connexion entre deux cristaux différents n’est pas tout à fait exacte.

“Dans les composants plus grands, de telles erreurs ne jouent pas un rôle aussi dominant [role]. Mais avec de minuscules transistors de l’ordre de quelques nanomètres, même un seul défaut peut conduire à ce que les courbes caractéristiques du transistor soient bien en dehors de la plage de tolérance spécifiée. Ainsi, il est considéré comme inutilisable », poursuit Waltl.

L’effet des défauts matériels dans les composants électroniques est généralement enregistré statistiquement dans l’industrie : des dizaines de milliers de transistors sont fabriqués et mesurés. A partir de la variabilité ainsi déterminée, on peut alors calculer si ces transistors sont utilisables ou s’il faut ajuster la géométrie ou le procédé de fabrication et réduire le nombre de défauts. Dans le pire des cas, il faudrait alors augmenter la surface de la puce, par exemple. Cela peut nuire aux performances de la puce et augmenter son prix.

“Le simple fait de rechercher des transistors avec des propriétés en dehors de la plage de paramètres souhaitée est une vue trop simplifiée”, déclare Waltl. “Après tout, les transistors sont connectés pour former un circuit électronique – par exemple, un onduleur qui inverse un signal ou une mémoire composée de six transistors. La question intéressante n’est pas de savoir si un seul transistor répond à certains critères abstraits lorsque des défauts se produisent au niveau atomique. , mais si l’ensemble du circuit se comporte correctement.”

L’équipe de microélectronique de la TU Wien a abordé cette question avec une combinaison d’expériences et de simulations informatiques. De nombreux composants électroniques ont été examinés et des modèles informatiques élaborés ont été créés sur la base des résultats.

Des modèles informatiques précis permettent de concevoir des circuits robustes

Il s’avère que même les transistors avec des erreurs ne sont pas nécessairement inutiles. “La tolérance aux pannes dépend du circuit, qui doit être pris en compte lors de la conception des circuits”, explique Waltl. “Il se peut, par exemple, que le transistor doive être particulièrement peu défectueux en un point particulier du circuit électronique mais que les tolérances soient plus grandes pour un autre transistor du même circuit.” Dans un tel cas, deux types de transistors différents pourraient être utilisés pour s’assurer que le circuit exécute sa tâche de manière fiable.

“Nos résultats s’appliquent aux transistors en silicium et aux nouveaux semi-conducteurs 2D”, précise Waltl. “Quelle que soit la technologie que vous souhaitez utiliser pour créer la prochaine génération de puces avec des composants encore plus petits : dans tous les cas, l’effet des erreurs inévitables ne doit pas seulement être décrit de manière empirique, comme cela a été le cas jusqu’à présent, mais il faut recourir à des technologies avancées. des modèles informatiques physiques pour simuler des circuits partiels ou des circuits entiers afin de tirer le meilleur parti des nouvelles possibilités.”