Plus petit, plus résistant au froid, plus intelligent

Professeur Daniel Hiller dans la salle technique sous le laboratoire central de salles blanches.

Pour les centres de calcul en IA ou les ordinateurs quantiques, les nano-transistors doivent devenir toujours plus petits, plus résistants au froid et plus efficaces. Comment ils pourront être fabriqués à l'avenir avec des nanofils et la physique quantique, explique le professeur Daniel Hiller dans l'interview. En tant que professeur Heisenberg financé par la DFG, il mène des recherches et enseigne depuis 2021 à l'Institut de Physique Appliquée de la TU Bergakademie Freiberg. Après une évaluation positive, Hiller a été officiellement nommé professeur de Physique des Matériaux Quantiques à partir du 1er août 2026. 

Nous en avons besoin pour le photovoltaïque, les transistors pour les microprocesseurs, les LED, les capteurs d'image ou les détecteurs de rayonnement. Mais qu'est-ce qu'un semi-conducteur, en réalité ?

Les semi-conducteurs portent ce nom parce que leur conductivité électrique se situe entre celle des isolants, comme le verre, et celle des conducteurs, comme les métaux. Il est particulièrement important que la conductivité des semi-conducteurs puisse être influencée de manière ciblée – un avantage décisif pour les applications dans le photovoltaïque et la microélectronique. La physique peut influencer les propriétés des matériaux semi-conducteurs par des modifications ciblées de leur réseau cristallin atomique ; cela s’appelle la dopage par impuretés.

Dans le processus de dopage des matériaux semi-conducteurs, des électrons sont introduits ou « retirés ». En effet, seul un électron libre, non lié à la structure cristalline, peut transporter le courant. Pour le silicium, ces dopants conventionnels peuvent par exemple être du phosphore, de l'arsenic ou du bore.

Pour de nouvelles applications – notamment dans les ordinateurs quantiques – les microprocesseurs doivent désormais devenir toujours plus petits, résistants au froid et plus efficaces, n'est-ce pas ?

Exactement. L'exigence est de réduire le volume des transistors intégrés dans les microprocesseurs tout en améliorant leur performance et en diminuant leur consommation d'énergie ! Depuis environ dix ans, les transistors fabriqués par dopage conventionnel ne peuvent plus être miniaturisés davantage. Leurs dimensions physiques caractéristiques stagnent à 15-20 nanomètres.

Un autre défi concerne les ordinateurs quantiques, qui doivent généralement fonctionner près du zéro absolu de température, à -273,15 degrés Celsius, pour maintenir la stabilité des qubits. Les qubits sont l'unité d'information fondamentale utilisée pour coder des données dans l'informatique quantique. Pour échanger des données avec un ordinateur quantique, on continuera toutefois à utiliser l’électronique éprouvée – qui n’est pas conçue pour fonctionner à ces températures extrêmes. Comme les porteurs de charge libres issus du dopage conventionnel du semi-conducteur gèlent à ces températures, le contrôle de la conductivité est perdu.

Quelles solutions la mécanique quantique propose-t-elle pour ces nouvelles exigences ?

Voici où intervient la dopage par modulation que nous étudions. En simplifiant, les atomes dopants ne sont pas intégrés directement dans le silicium, mais dans des couches ultrafines de dioxyde de silicium en surface. Pour réaliser un transfert de charge malgré leurs propriétés isolantes, nous utilisons des nanofils et le phénomène de tunneling quantique. Comme la structure cristalline du semi-conducteur reste inchangée, la mobilité des porteurs de charge est conservée, ce qui est avantageux pour l'efficacité énergétique des composants. De plus, la conductivité reste stable même à des températures extrêmes.

En collaboration avec différents partenaires, nous avons déjà testé avec succès quelques transistors dopés par modulation. Cependant, il reste un grand besoin de recherche et développement pour réaliser des transistors ultracourts avec une dopage par modulation optimisée.

Quelle est la taille « ultracourte » pour cet usage ?

Si l’on peut atteindre des longueurs de transistors inférieures à 10 nanomètres, de nouvelles possibilités s’ouvrent pour l’efficacité énergétique de l’informatique. En comparaison : un cheveu humain moyen, d’environ 0,1 millimètre, est environ 10 000 fois plus épais.

Les nouveaux procédés de dopage par modulation sont réalisés dans le laboratoire central de microfabrication de la TU Bergakademie Freiberg. Qu’est-ce qui rend ce travail si passionnant ?

Je travaille moi-même au moins une fois par semaine dans le laboratoire sur la dopage par modulation avec différents matériaux en couches minces, et j’accompagne des étudiants ainsi que des doctorants. Alors que, avec un collègue à Canberra en Australie, nous pouvons calculer et modéliser très précisément les propriétés des nouvelles surfaces fonctionnalisées en semi-conducteurs grâce à des simulations informatiques, nous avons besoin de l’expérimentation pour vérifier ces prévisions. Dans le laboratoire, nous construisons les matériaux selon la « recette » calculée, puis mesurons la conductivité ou la concentration de porteurs de charge. Ensuite, nous tirons des conclusions sur ce qui s’est réellement passé dans le matériau – et utilisons ces connaissances pour faire évoluer les processus.

Pour la fabrication de nano-transistors ultracourts, la physique appliquée recevra bientôt un appareil exceptionnel : un système de lithographie par faisceau d’électrons. Le travail sur ces nouveaux matériaux deviendra alors sans doute encore plus passionnant !