Des puits quantiques pour refroidir les circuits intégrés
Publié par Adrien le 11/11/2019 à 08:00
Source: CNRS INSIS
En appliquant une tension électrique sur une structure de puits quantique, une équipe franco-japonaise a montré que l'on pourrait refroidir efficacement un circuit intégré, et limiter ainsi l'échauffement qui pénalise ses performances et sa durée de vie (La vie est le nom donné :). Ces résultats, obtenus par des chercheurs du LIMMS, sont publiés dans la revue Nature Communications.

Toujours plus denses et plus rapides, les circuits intégrés produisent aussi toujours plus de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !). La densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...) de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) sur une puce peut atteindre 100 W.cm-2, et la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) peut y dépasser 400 K (167°C). Réduire cet échauffement, qui nuit aux performances et à la durée de vie du composant, est devenu un enjeu majeur pour les fabricants de semiconducteurs. Des chercheurs de l'unité mixte internationale LIMMS (Laboratory for Integrated Micro Mechatronics Systems, CNRS/Université de Tokyo) proposent une piste innovante pour refroidir les puces électroniques, fondée sur des structures de puits quantiques.


© LIMMS

L'équipe franco-japonaise a montré qu'en appliquant une tension (La tension est une force d'extension.) à un puits quantique, une structure nanométrique capable de piéger des électrons, ces derniers peuvent être refroidis. Ces puits quantiques, intégrés à un circuit via les procédés conventionnels de fabrication de semiconducteurs, pourraient ainsi refroidir directement les "points chauds" sur les puces électroniques. Une solution plus efficace que les systèmes actuels, par ventilateur ou circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), très consommateurs d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.).

Le type de puits quantique utilisé dans cette recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) est appelé hétéro-structure asymétrique à double barrière. Dans ces dispositifs, des puits d'arséniure de gallium très minces (4 nm) sont séparés par des couches d'arséniure d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.) et de gallium. Lorsque la tension appliquée est égale à l'énergie du niveau quantique à l'intérieur du puits, les électrons peuvent traverser facilement la première barrière par effet tunnel résonnant (L'effet tunnel est connu comme d'effet inexplicable avec la mécanique classique. Une particule d'énergie inférieure à la hauteur de la barrière possède une probabilité très faible,...). Cependant, seuls les électrons ayant une énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie cinétique d’un corps est égale au travail...) élevée pourront continuer au-delà de la deuxième barrière. Les électrons plus rapides, donc "plus chauds", s'échappent, alors que les électrons lents, "plus froids", sont piégés: le dispositif refroidit. Ce phénomène avait déjà été mis en évidence dans d'autres matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.), notamment des supraconducteurs. L'équipe du LIMMS a pour la première fois démontré son existence dans des semiconducteurs, d'abord par des calculs théoriques, puis expérimentalement.

Aujourd'hui, les chercheurs continuent d'explorer ce phénomène, et vont ensuite étudier comment le refroidissement électronique produit à son tour une baisse de température dans le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets »,...) cristallin du semiconducteur, baisse qui pourrait atteindre 10 à 15 K. A plus long terme, l'objectif est d'intégrer ce type de dispositif dans des puces, en collaboration avec un industriel des semiconducteurs.

Références:
Evaporative electron cooling in asymmetric double barrier semiconductor heterostructures,
A. Yangui, M. Bescond, T. Yan, N. Nagai, and K. Hirakawa.
Nature Communications 10, 4504 (2019)
DOI: 10.1038/s41467-019-12488-9
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