Les micro et nanotechnologies au CEA

Le silicium, matériau de base de toute l’industrie électronique, est un élément abondant, puisqu’il est extrait du sable par purification (94 % de la croûte terrestre est composée de silice !). Il est cristallisé sous la forme de barreaux de 20 à 30 cm de diamètre, lesquels seront découpés en tranches de moins d’un millimètre d’épaisseur. Sur ces tranches sont fabriquées en même temps des centaines de puces, par photolithographie. Celle-ci consiste à reproduire, dans une résine photosensible, le dessin des circuits à réaliser, à l’image de pochoirs que l’on pourrait superposer pour obtenir des circuits de plus en plus complexes. Ces motifs compliqués sont générés en une seule exposition. Les détails sont imprimés sur le substrat quand la lumière passe à travers les ouvertures d’un masque, définissant d’une manière précise et reproductible des millions de transistors. Les traits les plus fins obtenus aujourd’hui industriellement ont une épaisseur de 45 nanomètres, ce qui permet de disposer et de connecter des millions de composants de base – les transistors – par circuit et de multiplier ainsi les fonctionnalités. Cette technique de photolithographie est limitée par les phénomènes de diffraction et de longueur d’onde du faisceau de lumière utilisé. Des améliorations sont en cours de test pour augmenter la précision. Par exemple, la longueur d’onde des lumières utilisées à travers les pochoirs a été diminuée pour descendre du bleu au bleu profond puis à l’ultraviolet.

Source - © 2012 P. Stropa/CEA

Une plaque de silicium 200 nm contenant des circuits électriques

Mais de nouvelles lentilles doivent être mises au point pour focaliser cette lumière de plus en plus énergétique. La résolution spatiale a été doublée en tirant parti du caractère ondulatoire de la lumière et du principe d’interférence. Le renforcement sélectif des ondes lumineuses mène à une exposition accrue de la résine photosensible, tandis que leur annulation laisse des structures dans l’obscurité. On peut également graver des motifs sur les puces au moyen de faisceaux d’électrons, mais les dessins doivent alors être tracés les uns après les autres. La lithographie à faisceau d’électrons (e-beam) permet d’atteindre une résolution nanométrique, car la longueur d’onde des électrons est de l’ordre de quelques nanomètres. C’est idéal pour produire le pochoir initial qui sera réutilisé des milliers de fois en lithographie optique, ou pour la fabrication de circuits expérimentaux en laboratoire… mais pas pour la production en masse de puces.

La photolithographie atteindra ses limites techniques lorsque les détails les plus fins mesureront de 10 à 20 nm, ce qui devrait arriver à l’horizon de 2015. À cette échelle, des effets dus à la physique quantique se manifesteront et perturberont le fonctionnement des circuits ; par exemple, des électrons pourront sauter d’un « fil » à l’autre par effet tunnel (voir le schéma «  La physique quantique »). Outre les limites physiques, les investissements nécessaires pour construire des usines capables de graver des circuits aussi fins deviendront prohibitifs (estimés aujourd’hui à plus de 5 milliards d’euros). La voie top-down, qui aura poussé jusqu’à l’extrême la miniaturisation du transistor MOS (Metal oxide semiconductor), devrait atteindre ses limites vers 2020. Un changement de technologie devrait alors s’imposer : ce sera le début de la véritable nanoélectronique, qui prendra en compte les propriétés de la matière à cette échelle. Les composants de base ne seront plus les mêmes.

Plusieurs options sont possibles pour prolonger la voie de la miniaturisation, dont voici deux exemples :

La spintronique réalise le mariage entre l’électronique et le magnétisme. Alors que l’électronique actuelle est entièrement basée sur la manipulation de la charge électrique portée par les électrons, la spintronique utilise leur spin. Les électrons ont trois particularités physiques : leur masse, leur charge et leur spin. Pour cette dernière caractéristique intrinsèque, tout se passe comme si le moment magnétique de l’électron s’apparentait au sens de rotation interne de celui-ci autour d’un axe fixe imaginaire. Pour les électrons, le spin ne peut prendre que deux valeurs : +1/2 spin dit « up » ou -1/2 spin dit « down », correspondant ainsi au fait qu’il ne peut tourner que dans un sens ou dans l’autre. On peut utiliser cette propriété pour obtenir des fonctionnalités nouvelles, par exemple pour coder, traiter ou transmettre une information. Une grande variété de dispositifs innovants utilisant le spin des électrons peut être réalisée. Ces dispositifs combinent des matériaux magnétiques qui servent de polariseur ou analyseur en spin et des matériaux conducteurs, isolants ou semiconducteurs.

Des dispositifs spintroniques sont déjà utilisés dans les disques durs d’ordinateur. Il s’agit de capteurs dont la résistance électrique varie en fonction du champ magnétique appliqué. Ils permettent de relire l’information magnétique enregistrée sur le disque magnétique. La spintronique permet d’envisager de pousser la capacité de stockage sur les disques durs au-delà du térabit (1015 bits) par pouce carré, c’est-à-dire 155 milliards de bits/cm2.

Source - © 2012 Artechnique/CEA

Banc de mesure de composants spintroniques

D’autres applications industrielles sont en train de voir le jour. Ainsi, des mémoires magnétiques peuvent être réalisées sans aucune pièce mobile (contrairement aux disques durs). Ces mémoires sont formées d’un réseau de piliers magnétiques de dimension nanométrique, eux-mêmes constitués de couches magnétiques dont le sens de l’aimantation (+1/2 ou -1/2) détermine l’état du bit (respectivement 0 ou 1). Non seulement ces mémoires vives ne disparaissent pas en cas de coupure d’alimentation (non-volatilité), mais elles sont très rapides (écriture et lecture ne durent que quelques nanosecondes) et sont insensibles aux rayonnements ionisants. Elles permettent de concevoir des ordinateurs que l’on pourrait éteindre et allumer instantanément en gardant toute l’information à l’écran. D’autres applications sont en cours de développement pour la réalisation de composants radiofréquence pour les télécommunications et les réseaux sans fil.

La photonique utilise la lumière pour coder l’information. Tous les systèmes actuels (une puce d’ordinateur, un circuit intégré, un transistor) sont basés sur le transport, le confinement et les propriétés physiques de l’électron. Mais si, pour aller plus vite, il était remplacé par le photon ? Celui-ci, outre qu’il se déplace à la vitesse de la lumière (300 000 km/s), provoque peu de dissipation de chaleur lors de son déplacement.

Mais, avant d’employer les photons comme moyen de codage d’information dans une puce, il faut mettre au point tous les composants de la chaîne, de l’émetteur au récepteur, en passant par les guides et les modulateurs. Le silicium, vedette de la microélectronique, est une piètre source de lumière… à l’état macroscopique. La solution est venue de la nanostructuration : soumis aux lois étranges du monde quantique, un cristal de silicium, réduit à une dizaine de nanomètres, voit ses performances d’émission fortement modifiées ! Pour guider ces photons, pas question d’utiliser des fibres optiques ou des miroirs aux dimensions millimétriques, mais un dispositif bien plus efficace : le cristal photonique. Constitués en perçant de minuscules trous de manière périodique dans un semi-conducteur, ces cristaux réfléchissent et dirigent la lumière. Ils peuvent aussi la filtrer, en agissant sur des longueurs d’onde particulières et permettent de la confiner dans un volume extrêmement faible (quelques centaines de nm). La modulation, le multiplexage et le décodage des signaux sont les trois domaines où de nombreux progrès sont en cours pour aller vers l’ordinateur à photons. C’est cette possibilité de multiplexage qui, en permettant les calculs parallèles, représente le « plus » de l’ordinateur photonique.

Cette nouvelle approche est envisageable pour surmonter les obstacles de la miniaturisation. Elle fait appel à des connaissances fonda­mentales de physique et de chimie et permet de concevoir les composants entièrement nouveaux de l’électronique moléculaire. Si la fabrication atome par atome de nanocomposants est possible, elle est inenvisageable industriellement sans la maîtrise de procédés d’auto-assemblage de la matière, car elle prendrait un temps infini. À défaut de construire un circuit et ses nanocomposants, ce qui serait trop long et trop cher, les chercheurs envisagent la conception d’entités moléculaires dotées de fonctions électroniques capables de s’organiser seules. Pour les fabriquer, ils disposent de quatre briques de base : les molécules de synthèse, faciles à obtenir, les biomolécules comme l’ADN, les nanoparticules métalliques ou semi-conductrices et les nanotubes de carbone. Mais la voie de l’auto-assemblage est difficile : il faut réussir à contrôler le positionnement des briques.

Source - © 2012 CEA

Un circuit d'expérimentation en électronique quantique

Des charges positives et négatives s’attirent : si l’on ajoute des molécules chargées négativement à la surface d’un wafer, elles vont attirer les molécules chargées positivement greffées à la surface de nanotubes, créant ainsi des nanocomposants. Reste à résoudre le problème des jonctions entre ces composants et le reste du circuit ; faute de quoi, l’électronique moléculaire en restera là, malgré des perspectives très séduisantes.

Source - © 2012 Yuvancé/CEA

Lorsque l'on applique une tension déterminée sur la grille, un électron peut entrer dans l'« île de Coulomb » tandis qu'un autre en sort. Il s'établit fans le transistor un courant dont l'intensité dépend du nombre d'électrons présents dans l'île.

En 1974, la première diode moléculaire a été réalisée sur une couche de molécules individuelles. Non plus faite en silicium, elle a été obtenue par la mise en contact de deux morceaux de semi-conducteurs : l’un des matériaux comporte de nombreux électrons, alors que le deuxième en est extrêmement pauvre. Des molécules qui présentent cette même asymétrie ont ensuite été conçues ; puis un transistor dans lequel le canal était formé d’une de ces molécules.

Ce dispositif a donné des preuves flagrantes du comportement quantique des électrons.

On peut aussi concevoir un transistor à un seul électron. Le principe consiste à ajouter un espace en matériau semi-conducteur entre la source et le drain du transistor, où seul un nombre déterminé d’électrons peut s’accumuler. Quand une tension électrique est appliquée entre la source et le drain, l’espace se remplit, puis le courant ne passe plus (phénomène de blocage de Coulomb). Lorsque l’on applique une tension sur la grille du transistor, un nouvel électron peut entrer, tandis qu’un autre sort de cet espace. Ainsi, en modifiant la tension de grille, on réalise de l’électronique à un seul électron.

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