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Aujourd'hui le silicium, demain...

Jean-Charles Guézel

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olymères, nitrures, supraconducteurs, nanotubes de carbone... sont de sérieux candidats pour les prochaines générations de semi-conducteurs.

Étonnant de voir à quel point la recherche européenne dans le domaine des matériaux à vocation électronique est diverse. Mais toujours animée par la même ambition : offrir à l'industrie des fonctions plus performantes (au sens technico-économique) que celles réalisées à partir de "simple" silicium. Quitte à améliorer ce dernier en l'associant à d'autres matériaux comme le germanium ou le carbone (l'un des constituants de l'increvable carbure de silicium). Quitte aussi à s'attaquer aux composants périphériques, ces fameux "passifs", et plus précisément aux diélectriques (céramiques, verres...) qui les composent.

Plein feu sur les diodes organiques

Cela dit, et c'est plutôt encourageant, ce sont les projets relatifs aux "nouveaux" semi-conducteurs qui tiennent la vedette. Sujet le plus en vogue : les diodes électroluminescentes organiques. La recherche européenne a, ici, la chance de compter plusieurs "pointures" de rang mondial, notamment Richard Friend, professeur au Cavendish Laboratory de l'Université de Cambridge (Grande-Bretagne). Ce spécialiste des polymères, par ailleurs fondateur de deux sociétés commerciales (Cambridge Display Technology et Plastic Logic), coordonne le projet Stepled (Singlet and triplet emission in polymers for light-emitting displays). Objectif : repousser le rendement lumineux des diodes organiques (constituants des écrans dits Pled) au-delà des 25 lumens/watt environ auxquels il était limité jusque-là. Par une meilleure compréhension des mécanismes physiques mis en jeu, étape préalable à l'optimisation des matériaux de base et des "dopants", les partenaires de Stepled espèrent dépasser 50 lumens/watt... Un saut technologique qui, une fois répercuté dans l'industrie, sera évidemment le bienvenu dans le segment de marché très dynamique des écrans de poche. Philips, naturellement participe au projet.

Dans le même registre, la firme d'Eindhoven s'est encore davantage impliquée dans Flexled (Flexible polymer light emitting display), projet qu'elle dirige et qui s'intéresse à la technologie des écrans organiques souples pour le "papier électronique", les cartes à puce et à écran, ou même l'électronique vestimentaire.

Réduire la densité de défauts structurels

Un programme très applicatif puisqu'il consiste essentiellement à évaluer la "fabricabilité" industrielle de ces dispositifs et à améliorer leurs points faibles, tout spécialement leur durée de vie (au-delà de 10 000 heures) et leur résistance mécanique.

Dans le cas des nitrures (GaN, InN...), matériaux dotés d'atouts certains (tenue en tension cinq à dix fois supérieure à celle du silicium, densité de courant deux à trois fois plus élevée), la fabrication des composants représente, là encore, un obstacle. C'est pourquoi ces matériaux se retrouvent eux aussi en bonne place dans plusieurs projets européens, en particulier Denis (Development of low dislocation density gallium nitride) et Euronim (European sources of nitride materials).

En s'efforçant d'optimiser les techniques de croissance, Denis s'attache à réduire la densité de défauts au sein des substrats de pas moins de trois ordres de grandeur par rapport à la normale. Euronim doit, quant à lui, favoriser l'émergence d'une production de nitrures européenne viable. C'est d'ailleurs en s'appuyant sur Euronim que Picogiga International, filiale de Soitec, a récemment été en mesure de proposer à ses clients des structures AlGaN/GaN leur permettant de fabriquer des Hemt (transistors à haute mobilité électronique) tout à fait remarquables : puissance supérieure à 6 W/mm à 2 GHz, fréquences de coupure comprises entre 20 et 30 GHz... Mises au point en partenariat avec le CNRS-CRHEA (Centre de recherche sur l'hétéro-épitaxie et ses applications), ces structures, principalement destinées aux stations télécoms et aux radars, font appel à des alliages ayant la particularité d'avoir été "épitaxiés" sur des substrats de silicium monocristallin absolument standard. La compétitivité économique n'a en l'occurrence pas été oubliée.

Autre matériau d'exception (tenue en tension dix fois supérieure à celle du silicium, conductivité thermique triple, fonctionnement jusqu'à 500 °C...), le carbure de silicium, lui, pèche carrément par la médiocre qualité des substrats disponibles. L'une des solutions évoquées serait de passer d'une structure cristalline hexagonale, la seule disponible actuellement sur le marché (et qui plus est aux États-Unis), à une structure cubique, potentiellement plus propice à la réalisation de dispositifs à effet de champ de bonne qualité. C'est précisément le thème de Solsic, un projet coordonné par le CEA avec la participation des français Cyberstar, Novasic et du Groupe d'étude des semiconducteurs de Montpellier (Hérault).

Plus classique, et même assez couramment mis en oeuvre dans les circuits intégrés et les transistors ultrarapides, le silicium-germanium, concurrent de l'arséniure de gallium, continue de son côté à occuper pas mal de monde dans les laboratoires de recherche. Dans ce registre, les travaux sont désormais très orientés "produits". En témoigne par exemple Perla, un projet consistant à mettre au point et à intégrer des blocs fonctionnels SiGe destinés aux réseaux sans fil Hiperlan/2 à 5 GHz.

Sans vraiment rentrer dans la catégorie des composants hyperfréquences, les circuits intégrés numériques fonctionnent néanmoins à des fréquences telles que des adaptations technologiques vont bientôt s'imposer pour pouvoir suivre le rythme imposé par les horloges.

Engouement croissant pour les nanomatériaux

L'une d'elles sera l'adoption de diélectriques de grille (au niveau des transistors) plus épais et à plus forte constante diélectrique que la traditionnelle silice (k=3,9). Grâce à ces matériaux dits "high k", les fabricants pourront en effet réduire encore la taille de leurs transistors élémentaires, et donc monter en fréquence, sans pour autant augmenter les courants de fuite à travers l'isolant de l'électrode de commande.

Ce thème est au centre des projets Hike et Invest. Le premier, qui reçoit la contribution du LAAS-CNRS, s'intéresse au dépôt en vapeur chimique d'oxydes de zirconium (k=25) ou d'hafnium (k=35). Invest, auquel participe la société française Riber (spécialiste des équipements d'épitaxie par jets moléculaires), passe aussi en revue les potentialités de molécules telles que les Y2O3, LaZrO3,5 ou bien encore le SrTiO3.

Last but not least, surtout pour ce qui a trait aux circuits intégrés, les nanomatériaux suscitent un engouement de plus en plus considérable... Et d'ailleurs justifié. Dans le domaine des mémoires, la preuve en est fournie par le projet Neon (Nanocrystals for electronics applications), conduit par le CEMES-CNRS (Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales). Au lieu de stocker la charge électrique, et donc l'information, dans une couche homogène de silicium entourée de silice, ce que font en principe les mémoires dites à "grilles de transistor flottantes", celles qui sont étudiées dans le cadre de Neon ont l'originalité de faire appel à des nanocristaux de silicium de 3 à 5 nm de diamètre. L'intérêt est double : miniaturisation des cellules d'une part, fiabilité d'autre part. En cas de fuite ponctuelle, les nanocristaux, du fait de leur séparation, conservent en effet la charge électrique beaucoup plus sûrement qu'une couche uniforme.

En matière de nanomatériaux, le meilleur viendra certainement des nanotubes de carbone. Canons à électrons (écrans), catalyseurs pour piles à combustible, blindages électromagnétiques : il suffit de se reporter à la liste des applications visées par le projet Cardecom (Carbon nanotubes for devices, electrodes and composites) pour s'en convaincre. Liste que beaucoup d'autres programmes devraient certainement bientôt compléter par la plus prometteuse de toutes : le transistor...

Les nanotubes ? Ils seront à coup sûr la prochaine révolution après le silicium.

55% en électronique

Pourcentage des projets en cours à participation française dans le cadre du 5e PCRD : 55% en électronique

SUPRACONDUCTEUR HTCPOUR CONVERTIR DES DONNÉES À HAUTE VITESSE

On évoque rarement les supraconducteurs hors du cadre de l'électrotechnique et des courants forts... Pourtant, l'électronique "petits signaux" est elle aussi de plus en plus concernée par l'émergence de ces matériaux, surtout depuis l'arrivée des cuprates HTc (à haute température critique). Grâce à leur quasi-absence de pertes, ils se prêtent en effet à la réalisation de filtres hyperfréquences hautement sélectifs, mais aussi à celle de commutateurs extraordinairement rapides. Ces derniers sont alors basés sur des jonctions Josephson capables de passer d'un état supraconducteur à un état résistif en une fraction de picoseconde. Un formidable saut technologique C'est sur ces dispositifs que repose le projet Super-ADC, acronyme signifiant littéralement "super convertisseur analogique-numérique". Conduit par la Chalmers University of Technology de Göteborg (Suède), en partenariat avec les français Air Liquide et Thales, ce projet exploite certains résultats de HTS-RSFQ, travail qui avait déjà abouti à la mise au point d'un modulateur sigma-delta à la fréquence d'échantillonnage exceptionnelle de 170 GHz. L'objectif est cette fois de bâtir un système de conversion complet (modulateur HTc, amplificateur GaAs/InP, filtres Cmos, interfaces et refroidisseur à cycle Stirling de 30 K) devant offrir une bande passante de 120 MHz (fréquence de Nyquist) avec une gamme dynamique (SFDR) correspondant à une résolution effective de 16 bits. Pour donner une idée du saut technologique que cela représente, précisons qu'au rythme ou elles progressent, les technologies classiques ne présenteront pas de tels chiffres avant une bonne dizaine d'années.

L'ESSENTIELLES AXES MAJEURS DE RECHERCHE

Les polymères électroluminescents à haut rendement (jusqu'à 50 lumens/watt) - Le carbure de silicium cubique pour structures Mos - La réduction des dislocations dans les substrats GaN - Les transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) en technologie silicium-germanium - Le dépôt de diélectriques à forte constante dans les circuits silicium - L'implantation de nanocristaux de silicium dans les mémoires à grilles flottantes

CÉRAMIQUES FERROÉLECTRIQUESPOUR DES COMPOSANTS À PERMITTIVITÉ RÉGLABLE

Grâce au projet Melody (Microwave electronics with tuneable dielectric layers), les composants céramiques ne seront prochainement plus aussi "passifs" qu'ils l'étaient jusqu'à présent. Déjà de nombreuses publications L'idée est de mettre au point des matériaux ferroélectriques (essentiellement des titanates de baryum et de strontium, mais pas seulement...) dont le comportement en tension "optimisé" donnera naissance à une nouvelle classe de composants à permittivité réglable. On les trouvera sous forme soit de composants massifs, soit de composants "couche épaisse". L'intérêt est immense, qu'il s'agisse d'antennes à balayage, de déphaseurs, de filtres... Et c'est d'ailleurs à un grand nom des équipements radio, Ericsson, que revient la responsabilité de mener à bien ce projet. Selon le fabricant de composants céramiques Temex, seul français engagé dans l'aventure, ces recherches n'ont toutefois rien d'évident : « En dépit des optimisations réalisées, les mesures révèlent des pertes diélectriques encore trop importantes. La voie poursuivie actuellement consiste à contourner le problème en minimisant la quantité de matériaux ferroélectriques mise en oeuvre », précise l'industriel. Au vu du nombre de publications qui leur sont consacrées, surtout aux États-Unis, le jeu semble en tout cas en valoir la chandelle.

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