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Le meilleur de l'arséniure de gallium au prix du silicium !

Jean-Charles GUEZEL
En déposant une couche de GaAs sur un support standard en silicium, Motorola rend possible l'association de l'électronique et de l'optoélectronique sur la même puce.

 

Un rêve vieux de vingt ans devient réalité : Motorola a trouvé le moyen d'associer sur une même tranche (wafer) de semiconducteur les deux matériaux de base de l'électronique que sont le silicium (Si) et l'arséniure de gallium (GaAs).

Avec des avantages considérables à la clé, notamment celui de pouvoir fabriquer des diodes et des transistors GaAs à peine plus coûteux que des composants en silicium. Selon Motorola, les téléphones cellulaires équipés d'un étage de puissance GaAs seront parmi les premiers appareils à bénéficier de cette innovation.

Justifié par de plus grandes difficultés dans la production des substrats, le prix élevé de l'arséniure de gallium en limitait jusqu'à présent l'utilisation à des applications pour lesquelles le silicium ne pouvait pas - ou mal - convenir : optoélectronique, hyperfréquences... Un isolement commercial d'autant plus problématique que, depuis peu, la concurrence du silicium " amélioré " (silicium-germanium, silicium sur isolant, silicium étiré ...) en restreignait encore la diffusion, surtout pour ce qui concerne les hyperfréquences.

Une foule de débouchés

Pour la première fois, c'est donc un véritable " boulevard " que Motorola ouvre à l'arséniure de gallium. On peut en effet citer une foule de débouchés, comme les radars automobiles anti-collision ou les cellules photovoltaïques à haut rendement, qui ne demandent qu'à se développer sur la base de composants GaAs à la fois économiques et performants.

Pourquoi a-t-il fallu autant d'années pour démocratiser ce matériau ? Tout simplement parce que l'association de l'arséniure de gallium et du silicium sur la même tranche, seule voie possible pour exploiter l'acquis technologique de ces dernières années, buttait jusqu'à présent sur l'incompatibilité cristalline (écart géométrique de plus de 4%) entre ces deux matériaux. Jusqu'à ce que Jamal Ramdani, chercheur aux Motorola Labs, ait l'idée de préparer un sandwich Si/GaAs fourré d'une fine couche de titanate de strontium .

Grâce à cette interface, chargée d'absorber les tensions mécaniques et d'éviter toute fissuration, on peut faire croître sur une tranche de silicium de 12 pouces (dimension standard actuellement) un dépôt d'arséniure de gallium de même diamètre et de quelques microns d'épaisseur.

En dépit d'une ou de deux étapes supplémentaires, cette technique de fabrication s'avère finalement bien meilleur marché que le procédé " massif " conventionnel, limité à 6 pouces de diamètre. Car 12 pouces au lieu de 6, c'est 4 fois plus de composants par tranche et des économies d'échelle en conséquence. D'autant que ce procédé ne remet pas en question, bien au contraire, les investissements en matériel de production déjà réalisés pour le silicium.

Le meilleur du silicium et de l'arséniure de gallium

Au delà de la baisse attendue du prix de revient, l'invention de Motorola ouvre aussi la voie à une nouvelle génération de composants " hybrides " capables d'offrir le meilleur du silicium et de l'arséniure de gallium sur la même puce.

Motorola parle dès à présent d'ISC (Integrated Semiconductor Circuits), autrement dit de circuits à intégration de semiconducteurs qui associeront les fonctions classiques de traitement de l'information (sur puce Si) à des modules optoélectroniques et/ou des composants hyperfréquences (sur puce GaAs).

Point important, Motorola estime possible de transposer l'opération réalisée avec l'arséniure de gallium à d'autres matériaux " hautes performances " (tenue en température, aux radiations ...) de type III-V comme le phosphure d'indium (InP) ou le nitrure de gallium (GaN), eux aussi limités en taille de tranche. Reste toutefois à optimiser la couche intermédiaire dans chaque cas de figure.

En attendant, Motorola a déjà validé son procédé de fabrication Si/GaAs sur des étages d'amplification de téléphones cellulaires et sur divers dispositifs électroluminescents. Selon l'industriel, la production en volume des premiers composants pourrait démarrer à la fin de l'année prochaine. Motorola a toutefois déclaré vouloir davantage céder cette technologie sous forme de licence que l'exploiter pour son compte exclusif.

 

 

 

 

 

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