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Nanotechnologies et stratégie - Le Japon révolutionne les composants, pas les outils (01/01/2002)

L'électronique nippone aborde les nanosciences avec pragmatisme, en cherchant d'abord à faire évoluer les procédés industriels reconnus.

Au Japon, la miniaturisation est plus qu'un savoir-faire : c'est un état d'esprit. C'est pourquoi, après avoir été précurseurs en matière de microsystèmes, les Japonais se ruent aujourd'hui sur les nanotechnologies. " Il n'est pas rare que les nanosciences suscitent deux ou trois programmes de conférences le même jour à différents endroits de l'archipel ", observe Miwako Waga, consultante indépendante et spécialiste du secteur des technologies de l'information dans la zone asiatique.

Améliorer les procédés confirmés

Rien d'étonnant à cela : " Certaines études prévoient un décuplement du marché afférent aux nanotechnologies entre 2005 et 2010 ", note l'experte. La fédération des organisations économiques du Japon (Keidanren) estime ainsi que le seul marché intérieur nippon avoisinera 27 000 milliards de yens (235 milliards d'euros) dans neuf ans. 

Fort de ces prévisions optimistes, le Premier ministre Junichiro Koizumi en personne a placé les nanotechnologies au rang de priorité nationale pour les prochaines années. Il a débloqué à cet effet une enveloppe budgétaire de 56,5 milliards de yens (490 millions d'euros) pour 2002, comparable d'ailleurs à celle que distribuera le gouvernement des États-Unis (519 millions de dollars, soit 570 millions d'euros).

En 2001, le Japon a démarré plusieurs programmes, dont trois consacrés spécifiquement aux semiconducteurs. Baptisé Asuka, le plus richement doté d'entre eux - 84 milliards de yens, soit 730 millions d'euros, sur cinq ans - est financé par le secteur privé et vise à mettre au point les outils industriels qui permettront de descendre, dans quelques années, à une finesse de gravure de 70 nm (contre 0,13 µm aujourd'hui). Il implique douze des plus importants groupes japonais, parmi lesquels Hitachi, NEC et Toshiba

Mirai, un programme entièrement public dont l'objectif est de descendre par la suite encore plus bas dans la nanofabrication, vers les 50 nm, s'achèvera en 2008. Pour sa première année de fonctionnement, il a bénéficié d'un budget de 3,8 milliards de yens (33 millions d'euros). Mirai prévoit notamment la construction d'une "super salle blanche" à Tsukuba. 

Le troisième programme, dénommé Halca, associe, quant à lui, l'État et des industriels privés pour une durée de trois ans. Il se focalise sur les technologies de fabrication des futurs "systèmes sur une puce" et fonctionne avec un budget global de 6,5 milliards de yens (56 millions d'euros), dont 4 milliards de yens (35 millions d'euros) de fonds publics.

" Alors que les États-Unis ont une approche très scientifique et futuriste, le Japon aborde les nanotechnologies avec énormément de pragmatisme et veille avant toute chose à améliorer les procédés qui ont déjà fait leurs preuves ", analyse Miwako Waga.

Informatique et électronique quantique

" Notre objectif est de parvenir à réaliser des objets de dimensions nanométriques avec des méthodes les plus conventionnelles possibles ", renchérit Tomihiro Hashizume, chercheur au HARL (Hitachi Advanced Research Laboratory). Cela dans le but de commercialiser à moyen terme des composants électroniques à la fois très intégrés, très peu gourmands en énergie et, espère-t-on, peu coûteux, telles que les très attendues mémoires à transistors mono-électron. 

Ces transistors, aussi appelés SET (Single Electron Transistor), ressemblent à des FET (Field Effect Transistor) à ceci près que l'électrode de commande (la grille) ne contrôle plus directement la résistance du canal drain-source, mais le passage par effet tunnel d'un petit nombre d'électrons (voire d'un seul) vers un îlot de stockage isolé du reste de la structure par de très fines barrières isolantes (1 nm ou moins d'épaisseur). " En jouant sur la polarisation de la grille, il est possible de contrôler le flux d'électrons avec une précision d'autant plus grande que la capacité électrique de l'îlot, et donc ses dimensions géométriques sont plus faibles ", explique Toshiro Hiramoto, professeur associé au VLSI Design and Education Center de l'université de Tokyo. 

En pratique, on ne peut s'affranchir du bruit thermique à température ambiante qu'en réalisant des îlots de quelques nanomètres carrés de surface. Un objectif déjà atteint en laboratoire mais difficile, pour l'instant, à transposer au plan industriel. D'où l'importance vitale des recherches que mènent Toshiro Hiramoto et ses collègues pour mettre au point des techniques compatibles avec une production de masse. À terme, les chercheurs estiment qu'il sera possible de stocker un Tbit de données sur un centimètre carré de silicium...

L'informatique associée à l'électronique quantique est activement développée par Fujitsu dans son Nanotechnology Research Center flambant neuf. " L'ordinateur quantique sera un million de fois plus puissant que ce que l'on sait faire aujourd'hui ", s'exclame Naoki Yokoyama, directeur général du centre. " Aujourd'hui, vers 100 nm, on peut déjà observer certains phénomènes quantiques à basse température. Lorsqu'on atteindra les 10 nm on les exploitera à température ambiante ", espère Toshiro Hiramoto. Jean-Charles Guézel. (envoyé spécial au Japon)

 

A L'UNIVERSITÉ DE TOKYO
" Le silicium reste la meilleure voie pour les 
nanotechnologies "
Distinguer le Pepsi du Coca en pesant certains ingrédients du breuvage ? C'est le genre d'exercice auquel on pourra un jour se livrer avec les nano-balanciers d'Hideki Kawakatsu, professeur au Cirmm (Center for International Research on Micro Mechatronics), l'un des laboratoires de l'IIS (Institute of Industrial Science) à l'université de Tokyo.
Un institut d'autant plus remarquable qu'il est associé, avec le CNRS, à la création du Limms (Laboratory for Integrated Micro Mechatronic Systems) : un laboratoire franco-japonais co-dirigé par les professeurs Hiroyuki Fujita (directeur du Cirmm) et Jean-Philippe Gouy. À Tokyo, l'équipe française du Limms s'appuie sur plusieurs laboratoires de l'IIS, dont celui d'Hideki Kawakatsu. Ce chercheur est un spécialiste renommé des micropointes destinées à la microscopie en champ proche et, plus généralement, des applications des nanotechnologies à la mécanique. Entre autres dispositifs, il développe des nano-oscillateurs (des poutres fonctionnalisées) dont la fréquence de résonance (entre 10 et 1 000 MHz) peut varier d'une fraction de ppm si une molécule suffisamment lourde vient s'y accrocher.

Autre partenaire précieux du Limms, le laboratoire du professeur Toshiro Hiramoto s'intéresse aux méthodes qui permettront de réduire la taille des composants sans trop aggraver les dispersions dimensionnelles et électriques. Toshiro Hiramoto a par ailleurs mis au point une technique qui permet de construire les minuscules îlots des transistors mono-électrons (SET) tout en étant parfaitement compatible avec les procédés VLSI (Very Large Scale Integration) conventionnels. Cette méthode aboutit à la formation d'un "dot" unique de 4 nm de diamètre au point de contact entre la source et le drain du transistor.

" Le silicium est pour longtemps encore la plus prometteuse des nanotechnologies ", affirme le chercheur. " En 2001, plusieurs fabricants ont réalisé des transistors dotés de grilles de seulement 15 nm. Les circuits qui les mettront en oeuvre ne pourront pas être produits industriellement avant une douzaine d'années, mais ils fonctionneront alors à une vingtaine de GHz ", parie le professeur. On ne devrait alors pas être très loin des véritables limites industrielles de l'intégration sur silicium : 10 nm pour les grilles - ce qui correspond à une quarantaine d'atomes - et 30 GHz pour la fréquence d'horloge. 

Les technologies de l'information d'abord
Dans l'exploration des nanosciences, le Japon a manifestement fait le choix de privilégier les recherches ayant des applications potentielles dans les technologies de l'information. La moitié des 200 brevets "nanotechnologiques" japonais déposés en 2000 étaient liés, de près ou de loin, à ce secteur, alors que les nanobiotechnologies, très étudiées aux États-Unis (un quart environ des quelque 340 brevets américains), n'ont représenté la même année dans l'archipel qu'environ 5 % du total. 

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