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Microélectronique

Le silicium, toujours amélioré, jamais égalé

Fruits de vingt ans de recherches, deux innovations majeures viennent encore repousser les limites de l'intégration de composants sur les circuits en silicium.

Plusieurs millions de transistors par téléphone portable. Des milliards par ordinateur… Pour miniaturiser et améliorer les systèmes électroniques, l'Hexagone compte parmi les pays leaders de la recherche en intégration sur silicium. Pour preuve, deux avancées majeures. D'abord le développement d'une architecture fiable à très petite échelle, le transistor « multigrille », par l'Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique (Imep)1 de Grenoble. Ensuite, l'association réussie du silicium et du nitrure de gallium, pour favoriser le travail sous un fort courant électrique, par le Centre de recherche sur l'hétéro-épitaxie et ses applications (CRHEA)2 de Valbonne.

 

transistor

© IMEP

10 fois plus petite que celle d'un transistor actuel, l'architecture « multigrille » sur silicium ne présente pas de courant parasite entre ses milliards de nanocomposants.


Développé dans le laboratoire grenoblois, le transistor multigrille mesure cinq à dix nanomètres. C'est dix fois moins que les composants du même type commercialisés à ce jour, qui ne possèdent qu'une grille pour réguler le flux d'électrons. La grille est l'électrode d'entrée qui contrôle le débit du courant, tel un condensateur de faible capacité. Mais, à très petite échelle, « un transistor présente des courants parasites, une consommation de puissance trop forte à l'état bloqué et des courants de sortie trop faibles », explique Francis Balestra, directeur de l'Imep et coordinateur du réseau d'excellence européen Sinano3. Son équipe a ajouté d'autres grilles sous la couche d'oxyde insérée dans le silicium. Ainsi, la mobilité des électrons est favorisée et, avec elle, la rapidité de transmission des données des transistors à double, triple ou quadruple grille. Cette optimisation est la plus performante à ce jour pour l'informatique et les télécommunications.

 

Autre centre de recherche, autre première mondiale, publiée dans la revue Electronic Letters 4. Cette fois, l'intégration est améliorée dans le domaine des fortes puissances, là où le silicium peine à rester le matériau le plus performant. L'équipe du CRHEA a déposé de fines couches de nitrure de gallium sur le support en silicium. Pourquoi le nitrure de gallium ? C'est un matériau pouvant supporter des champs électriques et des densités de courant beaucoup plus grandes que le silicium, un atout majeur pour les applications dites hyperfréquences (satellites, radars…). Toutefois, comme l'explique Jean Massies, responsable du projet, « ces deux matériaux possèdent des structures cristallines très différentes, ce qui les rend difficilement compatibles ». Mais désorienter légèrement la surface du silicium a permis aux chercheurs d'imposer une orientation unique au nitrure de gallium pour que les deux éléments s'ajustent mieux tout en respectant les normes (« axe cristallographique 001 ») utilisées couramment dans l'industrie de la microélectronique. Cela réduit la densité de défauts du dispositif, tout en augmentant le flux d'électrons dans le canal du transistor.

Leur procédé de fabrication, appelé « épitaxie par jets moléculaires », ainsi que le composant multigrille grenoblois sont, chacun, le résultat de vingt ans de recherches ambitieuses de structure sur silicium. Transférées vers l'industrie à moindre coût d'ici cinq à dix ans, ces innovations brevetées confirment la célèbre loi de Moore. C'est-à-dire la croissance exponentielle, chaque année, du nombre de composants intégrés dans les circuits silicium… Jusqu'au moment où sera atteinte la limite physique. Une limite toujours repoussée !

 

Aude Olivier

Notes :

1. Institut CNRS / Institut polytechnique national de Grenoble / Université Grenoble-I.
2. Centre CNRS.
3. Congrès « Silicon-based Nanodevices » à Grenoble le 16 septembre 2005 et à Montreux le 22 septembre 2006.
4. Electronic Letters, janvier 2006, vol. 42, n° 2, pp. 117-118.


Contact

> Francis Balestra
Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique (Imep), Grenoble
balestra@enserg.fr

> Jean Massies
Centre de recherche sur l'hétéro-épitaxie et ses applications (CRHEA), Valbonne
jm@chrea.cnrs.fr


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