Nouveau transistor GAA améliore la mobilité avec un film InGaOx

Les transistors sont considérés comme une technologie bien en avance sur leur temps. Inventé en 1947, cette percée technologique a valu le prix Nobel de physique à Walter Brattain, John Bardeen et William Shockley. Depuis son invention, les transistors ont joué un rôle essentiel en apportant de nombreux changements radicaux aux technologies qui nous entourent.

Entre 2008 et 2019, les ventes de transistors de puissance sont passées de 10 milliards de dollars américains à 18,6 milliards de dollars américains. Cette croissance régulière reflète une demande inébranlable de transistors, indiquant le potentiel de la technologie et sa force inhérente en tant que solution. 

Essentiellement, un transistor est un dispositif semi-conducteur qui amplifie ou commutateur des signaux électroniques. Il peut être bipolaire, également appelé transistor bipolaire à jonction ou BJT, transistor à effet de champ (FET), ou transistor bipolaire à grille isolée ou IGBT. 

Le premier type, le transistor bipolaire, utilise à la fois des électrons et des trous comme porteurs de charge. Le transistor à effet de champ est un dispositif unipolaire construit sans jonction pn dans le chemin principal du courant, tandis que l’IGBT se compose d’un MOSFET commandé par la tension suivi d’un transistor à fort courant. 

Bien que les catégories ci‑dessus soient parmi les segments fixes ou traditionnels, le potentiel du transistor continue de s’étendre avec le temps. Les rapports de marché suggèrent que le marché des transistors de prochaine génération est prêt à prospérer. Selon le type, ces transistors peuvent inclure les transistors bipolaires à jonction hétéro (HBT), les transistors à haute mobilité d’électrons (HEMT), les transistors à effet de champ métal‑oxyde‑semi‑conducteur (MOSFET), et d’autres. 

Ces transistors exploitent une combinaison diversifiée de matériaux tels que le nitrure de gallium (GaN), l’arséniure d’indium (InAs), le phosphure d’indium (InP), l’arséniure de gallium (GaAs), etc. Ils trouvent des applications variées, notamment les téléphones mobiles, les systèmes à micro‑ondes, les satellites et l’aérospatiale. 

Aujourd’hui, nous nous concentrons sur ces transistors de prochaine génération. Nous commençons par la recherche qui vise à résoudre le problème plus vaste.

Mise à l’échelle des transistors en silicium avec des structures GAA InGaOx

Alors que l’électronique devient chaque jour plus petite, il est urgent de réduire la taille des transistors à base de silicium. Une équipe de chercheurs dirigée par l’Institut des sciences industrielles de l’Université de Tokyo a relevé le défi de front. Selon les informations, l’équipe publiera un article lors du symposium VLSI 2025, détaillant leur percée. L’équipe pourrait se passer du silicium et a choisi de créer un transistor à partir d’oxyde d’indium dopé au gallium (InGaOx), un matériau pouvant être structuré comme un oxyde cristallin, dont le réseau cristallin ordonné est bien adapté à la mobilité des électrons. 

Selon Alan Chen, auteur principal de l’étude, l’équipe souhaitait que leur « transistor à oxyde cristallin présente une structure « gate‑all‑around », où la grille, qui active ou désactive le courant, entoure le canal où le courant circule. » D’après Chen, l’équipe a pu envelopper « la grille entièrement autour du canal » et améliorer « l’efficacité et l’évolutivité par rapport aux grilles traditionnelles ». 

En expliquant les particularités de l’oxyde d’indium, le composé qui a joué un rôle essentiel dans tout cela, Masaharu Kobayashi, auteur principal de la recherche, a déclaré ce qui suit,

“L’oxyde d’indium contient des défauts de vacance d’oxygène, qui facilitent la diffusion des porteurs et réduisent ainsi la stabilité du dispositif.”

Les chercheurs ont dopé l’oxyde d’indium avec du gallium afin de supprimer les vacances d’oxygène, améliorant ainsi la fiabilité du transistor.

L’équipe a réalisé une percée scientifique et technologique importante en utilisant le dépôt en phase atomique pour recouvrir la région du canal d’un transistor gate‑all‑around d’un film mince d’InGaOx, couche atomique par couche. Par la suite, l’équipe a chauffé le film pour le transformer en une structure cristalline indispensable qui facilite la mobilité des électrons. 

MOSFET Gate‑All‑Around (GAA) : Conception et avantages

Si l’on doit mettre en avant la réalisation la plus cruciale de cette recherche, c’est la capacité de fabriquer un transistor à effet de champ « metal‑oxide » gate‑all‑around (MOSFET). 

En effet, le MOSFET gate‑all‑around pouvait atteindre une mobilité aussi élevée que 44,5 cm²/V·s. L’équipe a affirmé que son dispositif pouvait démontrer « une fiabilité prometteuse en fonctionnant de manière stable sous contrainte appliquée pendant près de trois heures ». Elle a ensuite déclaré que son MOSFET surpassait les dispositifs similaires rapportés précédemment. 

Alors que nous approfondirons bientôt les transistors gate‑all‑around, il est essentiel de résumer les implications de cette recherche et les impacts qu’elle aurait sur les recherches scientifiques futures dans ce domaine. Les premiers rapports suggèrent que cette recherche pourrait ouvrir de nouvelles voies pour créer des conceptions de transistors qui tiennent compte de l’importance à la fois des matériaux et de la structure. Elle aiderait à développer des composants électriques fiables et à haute densité répondant aux besoins de solutions intensives en calcul, telles que celles utilisées dans le big data et l’IA. 

Nous vivons pratiquement à l’ère de l’IA et du big data. Sans aucun doute, cette recherche ouvrira de nouvelles voies pour créer des solutions plus efficaces. Cependant, le champ couvert par les transistors gate‑all‑around pourrait être bien plus vaste que ce qui est présenté aujourd’hui.

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Qu’est-ce qui rend les transistors GAA supérieurs ?

Les transistors GAA, ou gate‑all‑around, possèdent une structure avancée où la grille peut entrer en contact avec le canal sur tous les côtés. En d’autres termes, ces transistors permettent une mise à l’échelle continue. 

Ce qui met en avant son ingéniosité technologique, c’est la pile de feuilles horizontales qui améliore le contrôle du canal du transistor. Ces feuilles sont des nanosheets empilées. Étant donné que les feuilles horizontales séparées sont empilées verticalement, la grille peut entourer le canal sur les quatre côtés, réduisant les fuites et augmentant le courant de conduite. Le résultat est une meilleure transmission des signaux à travers et entre les transistors. Cette transmission supérieure améliore les performances de la puce et permet aux fabricants de puces de varier la largeur des nanosheets afin d’offrir la feuille la plus adaptée à chaque conception de puce.

Les nanosheets sont efficaces à bien des égards. Les nanosheets larges permettent un courant de conduite plus élevé et meilleur, tandis que les nanosheets étroites peuvent optimiser la consommation d’énergie. Cette polyvalence prépare les transistors GAA à devenir les plus sophistiqués parmi leurs pairs dans un avenir proche. 

De plus, ces transistors sont économiques. Ils peuvent être fabriqués à moindre coût, contribuant à maintenir la production de masse de puces avancées à un prix abordable. En fin de compte, cela améliorera les performances de tous les appareils électroniques qui nous entourent, y compris la connectivité 5G, les jeux, les graphiques, les solutions d’IA, la technologie médicale, la technologie automobile, et bien plus encore. 

Investir dans les transistors GAA

Bien que le GAA ait considérablement progressé récemment, l’intérêt qui l’entoure existe au sein de la communauté scientifique depuis longtemps. Les archives indiquent que la première technologie GAA a été démontrée en 1986. Cependant, ce n’est qu’en 2022 que Samsung a, pour la première fois, fabriqué la première puce compatible GAA sur un nœud de processeur de 3 nm. Samsung a nommé son approche GAA « Multi‑Bridge‑Channel FET (MOSFET) », qui utilisait des nanosheets à canaux plus larges, offrant ainsi des performances supérieures et une meilleure efficacité énergétique par rapport aux technologies GAA utilisant des nanofils à canaux plus étroits. Multi-Bridge-Channel FET (MOSFET), qui utilisait des nanosheets à canaux plus larges, permettant des performances supérieures et une plus grande efficacité énergétique par rapport aux technologies GAA qui utilisaient des nanofils à canaux plus étroits.

Depuis, de nombreuses entreprises ont travaillé dessus. Cependant, Intel (INTC ), en particulier, semble être une option solide actuellement car c’est l’une des rares à introduire réellement la technologie des transistors GAA en production. Leur processus 18A, qui utilise RibbonFET et PowerVia, montre déjà des gains réels en performances et en efficacité, et il bénéficie du soutien d’un large groupe de partenaires en conception et fabrication.

Ce qui le rend encore plus intéressant, c’est qu’Intel ne se contente pas de concevoir des puces ; il les fabrique également aux États-Unis. Ainsi, Intel possède l’élan, l’échelle et une feuille de route claire. Avec la croissance rapide de l’IA et du calcul haute performance, sa position semble bien plus dominante que celle de plusieurs autres entreprises dans ce domaine.

Intel (INTC )

RibbonFET était le premier transistor Gate‑All‑Around (GAA) d’Intel, offrant jusqu’à 15 % de meilleures performances par watt par rapport au FinFET, son prédécesseur technologique. En 2021, Intel a présenté Intel 18A, sa technologie de transistor RibbonFET gate‑all‑around (GAA). 

En plus de 15 % de meilleures performances par watt, la solution promettait une amélioration de 30 % de la densité des puces par rapport au nœud de processus Intel 3. Intel a affirmé qu’il s’agissait du premier nœud avancé sous‑2 nm disponible, fabriqué en Amérique du Nord, offrant une alternative d’approvisionnement résiliente aux clients.

La solution intégrait la technologie de distribution d’alimentation arrière PowerVia, première du secteur, comme pilier. Elle a permis d’améliorer la densité et l’utilisation des cellules de 5 à 10 % et de réduire la chute de tension due à la résistance de l’alimentation, entraînant jusqu’à 4 % d’amélioration des performances ISO‑power. Elle a également réduit de manière significative la chute de résistance intrinsèque (IR) par rapport aux conceptions d’alimentation côté avant.

Comme déjà évoqué, la mise en œuvre de la technologie des transistors GAA a permis à Intel d’obtenir un contrôle précis du courant électrique, autorisant une miniaturisation supplémentaire des composants de puce tout en réduisant les fuites d’énergie, un enjeu crucial pour les puces de plus en plus denses.

Les condensateurs Omni MIM ont contribué à réduire la chute de tension inductive, améliorant la stabilité du fonctionnement de la puce. Intel estime que cette amélioration pourrait être cruciale pour les charges de travail modernes telles que l’IA générative, qui nécessitent une puissance de calcul soudaine et intense.

La technologie des transistors GAA d’Intel était entièrement prise en charge par les outils EDA standard de l’industrie et les flux de référence, créant une mise à niveau fluide depuis d’autres nœuds technologiques. Intel affirme que ses clients peuvent commencer à concevoir avec PowerVia avant d’autres solutions d’alimentation arrière.

L’ensemble de l’écosystème a contribué à rendre la technologie de pointe, le développement impliquant une solide assemblée de plus de 35 partenaires leaders du secteur, couvrant les domaines EDA, IP, services de conception, services cloud, ainsi que l’aérospatiale et la défense. 

Intel continue d’évoluer avec la famille de solutions 18A.

Intel propose les variantes 18A-P et 18A-PT. Le 18A-PT constitue une addition substantielle, étant conçu pour les clients IA et HPC qui développent des conceptions 3DIC de prochaine génération. La solution comprend une pile métallique back‑end mise à jour, des TSVs traversants, des TSVs die‑to‑die, et une interface de liaison hybride (HBI) avec un pas leader du secteur. 

Intel affirme que la solution est adaptée à une évolutivité et une intégration nettement améliorées pour les charges de travail avancées, permettant aux clients de repousser les limites de l’IA et du calcul haute performance.

En plus du 18A-PT, Intel propose également le 18A-P. Cette variante relativement plus ancienne s’appuie sur la deuxième implémentation des technologies RibbonFET et PowerVia d’Intel pour offrir des performances de prochaine génération et une efficacité énergétique accrue.

La solution intègre de nouveaux dispositifs à tension de seuil réduite et optimisés contre les fuites, ainsi que de nouvelles largeurs de ruban à grain fin, afin d’obtenir des gains significatifs de performance par watt et d’améliorer les performances des transistors. 

Cas d’utilisation réels de la technologie de transistor GAA d’Intel

Pour les applications de calcul haute performance et d’IA, les solutions d’Intel offrent un contrôle de canal supérieur, proposant une amélioration des performances du transistor par watt avec un courant de conduite élevé et une évolutivité.

La réduction de surface du RibbonFET permet d’ajouter davantage de fonctionnalités dans des puces plus petites, ce qui est bénéfique pour les capteurs médicaux et industriels compacts.

Elle contribue à la construction de processeurs mobiles et haut débit sophistiqués en répondant aux besoins des applications mobiles. Ses techniques de fabrication avancées assurent des performances cohérentes et fiables, tandis que des tensions de seuil finement réglées offrent une efficacité énergétique exceptionnelle, entraînant une amélioration globale de l’autonomie des appareils mobiles.

La solution s’avère également efficace pour les besoins aérospatiaux et de défense qui exigent une puissance de calcul accrue et des exigences strictes en matière de taille, poids, puissance et coût (SWaP‑C).

Les solutions Intel 18A présentent une faible chute IR, offrant l’efficacité requise pour les applications limitées en énergie sans compromettre les performances.

Avec toutes ces améliorations et fonctionnalités intégrées, la technologie GAA d’Intel est véritablement transformative. Ses performances correspondent à ce que l’on attend habituellement d’Intel, un leader de l’innovation technologique.

En janvier 2025, Intel a annoncé un chiffre d’affaires du quatrième trimestre de 14,3 milliards de dollars, en baisse de 7 % d’une année sur l’autre (YoY), tandis que son chiffre d’affaires annuel s’élevait à 53,1 milliards de dollars, en baisse de 2 % YoY.

Alors qu’on s’attend à ce qu’Intel poursuive son innovation GAA et atteigne de nouveaux jalons, la recherche globale sur les transistors GAA est en plein essor. 

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Les possibilités futures avec le GAA 

Un autre leader du secteur dans ce domaine, Samsung, estime que les transistors GAA seront bientôt intégrés aux applications de semi-conducteurs de prochaine génération nécessitant haute performance et faible consommation d’énergie, de l’IA au Big Data, en passant par la conduite autonome et l’Internet des objets.

Un article de recherche, publié en 2024¹, examine les transistors à effet de champ Gate‑All‑Around (GAA FET) comme solutions viables pour les applications électroniques modernes à faible consommation d’énergie et haute performance. Les chercheurs ont mené une analyse expérimentale approfondie incluant la fabrication, la caractérisation électrique et la modélisation de simulation afin d’explorer les propriétés électriques intrinsèques et les indicateurs de performance des GAA FET.

Ils ont examiné rigoureusement plusieurs paramètres clés tels que la tension de seuil, le courant de fuite, le swing sous‑seuil et la transconductance afin d’évaluer l’efficacité opérationnelle du transistor pour les applications à faible consommation d’énergie. De plus, ils ont développé et validé des modèles de simulation avancés pour prédire avec précision le comportement des GAA FET, facilitant les améliorations de conception futures pour le calcul haute performance. En tirant leurs conclusions, la recherche a mis en avant les caractéristiques avantageuses des GAA FET et les a positionnés comme des candidats prometteurs pour répondre aux exigences tant de faible consommation d’énergie que de calcul haute performance.

Une autre recherche importante, publiée en 2022, a étudié les opportunités du processus GAA nanosheet FET. Les chercheurs ont affirmé que de nombreux acteurs du domaine réfléchissaient déjà à ce qui se trouve au‑delà des FET nanosheet. Ils ont déclaré que les principaux candidats pour poursuivre la mise à l’échelle de la loi de Moore sont les transistors à transport vertical (VTFET) et les transistors empilés.

Les chercheurs ont également examiné les défis de traitement qui entravent la technologie des transistors nanosheet gate‑all‑around. Ils ont classé les défis en quatre grandes catégories :

• Auto‑échauffement
• Stabilité mécanique pendant la fabrication
• Variabilité du dispositif
• Mélange Si–SiGe

Les chercheurs ont souligné que bien que des substrats novateurs, comme le diamant sur silicium, puissent améliorer les effets d’auto‑échauffement, une telle approche serait moins susceptible d’être adoptée dans la production à haut volume. 

Ils ont reconnu que les nanosheets offraient une flexibilité de conception, et que le rapport d’aspect des feuilles ainsi que l’intégrité mécanique de l’espacement interne jouaient un rôle crucial dans la stabilité globale de ces feuilles. Ils ont souligné la nécessité d’optimiser la variabilité des dispositifs, qui peut provenir de plusieurs sources, notamment, sans s’y limiter, la rugosité des bords de ligne, la rugosité des bords de grille, le dépôt métallique à fonction de travail non uniforme et les fluctuations aléatoires de dopants.

Ils ont spécifiquement évoqué la sensibilité de la pile Si‑SiGe des nanosheets au mélange thermique lors de nombreux cycles thermiques avant l’étape de libération du canal. Cependant, ils ont confirmé que tant que les canaux SiGe pouvaient être gravés sélectivement en feuilles de canal Si, et que les feuilles Si n’étaient pas sur‑gravées à cause du mélange Si‑SiGe, cet effet était tolérable.

Bien que tous ces défis subsistent, il faut revenir aux bases pour comprendre pourquoi les transistors GAA sont révolutionnaires dans la trajectoire d’évolution de la technologie des transistors. Le GAA était supérieur à son prédécesseur, les FinFET, car il résolvait de nombreux problèmes liés aux courants de fuite grâce à ses canaux horizontaux. De plus, comme les transistors GAA étaient entourés de grilles sur les quatre côtés, ils amélioraient la structure du transistor. Cette structure améliorée pouvait contrôler le courant plus précisément que le processus FinFET.

Outre des entreprises comme Intel et Samsung, TSMC, un leader dans ce domaine, a également commencé à utiliser les transistors GAA dans la première génération de sa technologie de processus N2. Le processus FinFET, bien qu’il soit resté une norme de fabrication pendant plusieurs années, a connu des améliorations significatives avec l’arrivée de la technologie GAA.

Les experts considèrent la technologie de processus GAA comme une étape majeure de la lithographie silicium également. Ils s’attendent à ce que le GAA prenne le relais et élève l’industrie des semi‑conducteurs au niveau supérieur de mise à l’échelle du silicium, là où le processus FinFET s’était arrêté. 

Les chercheurs sont également optimistes quant aux avancées réalisées dans les transistors à effet de champ GAA à capacité négative. Ils ont souligné que le contrôle de grille supérieur du GAA‑FET et sa capacité accrue à supprimer les effets de canal court (SCE) par rapport au FinFET, grâce à sa structure de grille entourante, lui permettront de dominer le marché des semi‑conducteurs pour les nœuds technologiques de 3 nm et au‑delà. Cependant, ils ont averti que, malgré la supériorité démontrée du GAA‑FET comme option potentielle pour réduire les SCE, l’augmentation de la consommation d’énergie ne pouvait être ignorée.

Une autre recherche a incité la communauté scientifique à aller au‑delà de l’innovation au niveau du transistor et à reconnaître l’importance de l’innovation dans les domaines des interconnexions et de la distribution d’énergie pour une approche complète. Ils ont évoqué une proposition dans le domaine de la distribution d’énergie, connue sous le nom de rail d’alimentation enterré (BPR), qui consiste à placer les rails d’alimentation sous les dispositifs transistoriels, libérant ainsi de l’espace sur la face avant pour une flexibilité de routage et réduisant l’encombrement des conducteurs. Cependant, cela pose plusieurs défis techniques, notamment le gravage côté arrière, l’alignement des structures côté avant avec celles du côté arrière, et l’amincissement de la tranche du côté arrière.

En résumé, comme tout autre domaine d’innovation, les transistors doivent également traverser un processus constant d’essais et d’erreurs pour s’améliorer avec le temps. Cependant, pour l’instant, le GAA montre des résultats prometteurs et pourrait dominer le secteur dans un avenir proche.

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Études référencées :

^{1. Reddy Hemantha, G., Priya, A. S., Suman, J. V., Rao, T. V. J., Priyadarshini, G. M. A., & Mallam, M. (2024, May). Caractérisation et modélisation du transistor Gate‑All‑Around (GAA FET) pour les applications à faible consommation d’énergie et haute performance. Dans la Conférence internationale 2024 sur les avancées des technologies de l’ère moderne pour la santé et les sciences de l’ingénierie (AMATHE). IEEE. https://doi.org/10.1109/AMATHE61652.2024.10582059arge in solid electrolytes. ACS Energy Letters, 10(3), 1255–1257. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c03398}