De la micro à la nano-électronique

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1 De la micro à la nano-électronique Christian Ngô ECRIN LT M LE PUCE MICR-ELECTRNIQUE AU QUTIDIEN Cafetière électrique 1 puce T Pèse personne 1 puce T Télévision 10 puces T Voiture 30 puces T Auto-radio 5 puces T Reveil matin 3 puces T Maison Voiture Feu rouge 50 puces T PC et imprimante 50 puces T rganiser 5 puces T Travail Ascenseur 5 puces T Carte bancaire 1 puce T Portable 10 puces T

2 La raison du succès s de la micro-électronique Une réduction des coûts unique dans l histoire de l industrie ÉVLUTIN DU PRIX DE 1 Million de transistors Miniaturisation Traitement collectif ,5 0,5 cents 6 cents ENIAC ~1950 Jornada ~2000 Volume divisé par 10 8 Puissance multipliée par 10 8 R. tanley Williams HP Labs

3 Transistors per chip 10 9 Loi de Moore (proposée en 1965) La puissance double tous les 18 mois Pentium Pentium Pro Year 2 ème me loi de Moore Le coût t de fabrication double tous les 3 ans From J.C. Ellenbogen

4 Pourquoi une plus grande intégration? L homme veut pouvoir communiquer à tout moment et en tout lieu (systèmes nomades, source d énergie, ) Aider l homme dans les tâches difficiles et/ou fastidieuses (microsystèmes, robots, ) Marier vivant et technologie (biopuces, lab on chip, ) Une part de la complexité de l homme est reportée sur la machine Une électronique toujours plus puissante, des moyens de stockage plus performants,. Exemple pour les particuliers besoins de stockage 2001 : 30 Go ; Go Entreprises multiplié par 50 entre 2001 et 2010 Vers une intégration de plus en plus grande n augmente la densité et la taille des plaques de silicium

5 Limitations de la technologie CM dans ~ 10 ans Limite physique fondamentale - 8 electrons par bit (aujourd hui 1000 e/bit) Coût de fabrication - $50 milliards/fab La limite de la loi de Moore est-elle sur le point d êd être atteinte? de J.C. Ellenbogen Echelle des dimensions du centimètre au Nanomètre Du Naturel vers Fourmi ~ 1 cm 10-2 m 10-3 m 1 cm 10 mm 1,000,000 nanomètres = 1 millimètre (mm) Circuit intégré 1cm_ Microsystémes µm. l Artificiel Le challenge du 21 e siécle Acarien Pollen ~ µm 200 µm Cheveu ~ µm Le Micromonde 10-4 m 10-5 m 0.1 mm 100 µm 0.01 mm 10 µm P Globule rouge ~ 2-5 µm pale i 2, nh 2 ~ 0.2 µm Le Nanomonde 10-6 m 10-7 m 10-8 m 1,000 nanomètres = 1 micromètre (µm) pectre visible 0.1 µm 100 nm 0.01 µm 10 nm Interconnexions Circuit intégré 1-0.1µm Assembler des unités élémentaires de taille nanométrique pour fabriquer des composants et systémes présentant des propriétés inaccessibles jusqu alors ADN ~2-1/2 nm diamétre Atomes de siliçium Dixiémes de nm réalisé à partir de sources DE 10-9 m m 1 nanomètre (nm) 0.1 nm (1 Angström) Transistor ultime ~20 nm large Nanotubes alignés Nanotube de Carbone ~2 nm diamétre Auto-organisation d atomes Dixiémes nm

6 Les deux secrets de la micro-électronique Miniaturisation De plus en plus de transistors par centimètre carré de ilicium Traitement collectif En 2015, l ensemble des livres de la BNF F. Mitterand sur une seule puce de silicium! De plus en plus de centimètres carrés de ilicium traités simultanément Plaques de silicium de 100, 200, puis 300 mm de diamètre 1 lot de fabrication à T Crolles 1 : = 100 milliards de transistors!!! Réductio n des coûts Lot de fabrication LE MICRTECHNLGIE exemple de l accl accéléromètre Principe masse en mouvement Automobile Airbag Roll-over (capteur de tonneau) Accéléromètres Médical Pace-maker

7 Pourquoi plus petit? Plus rapide Consomme moins d énergie Plus de transistors par unité de surface Limites théoriques Limite thermique énergie nécessaire pour écrire un bit >> kt. Pour le CM 10 6 ev (10 10 K). Limite 2eV Limite quantique E t>=h E/f=100h Dissipation thermique Densité de puissance P=Efnp. N densité d intégration, p probabilité pour que le système bascule lors d un cycle d horloge (p 0,1). n doit avoir p< 100 W/cm 2 Qu est-ce que la nano-électronique? Domaine des dispositifs contrôlés par les propriétés électroniques de matériaux dont les dimensions sont inférieures à 100 nm ( 1/1000 le diamètre d un cheveux) Ce peut être le prolongement de la micro-électronique classique Mais, au dessous de certaines dimensions, il peut apparaître des effets quantiques. Ces dimensions dépendent du phénomène considéré

8 Effets quantiques La mécanique quantique peut décrire les phénomènes classiques ou quantiques Une particule peut se comporter comme une onde (ex : diffraction d électrons) Une onde peut se comporter comme un corpuscule (ex : effet photoélectrique) Effet quantique effet différent de ce qui est observé pour des dimensions supérieures Ex : variable continue qui devient discontinue Le mur quantique n ne peut pas réduire les dimensions à l infini Créer un «atome artificiel» réglable taille niveaux «atomiques» réglables énergie Classique Massif Quelques dizaines d atomes énergie Quantique kt? Marqueurs fluorescents, lasers. Effets quantiques : ceux qui sont différents des effets classiques connus aux plus grandes dimensions fonctionnement différent

9 Approches top-down et bottom-up Micro-électronique et nano-électronique : approche top-down Électronique moléculaire : approche bottom-up Beaucoup de défis d à résoudre µm La taille diminue nm Micro-électronique ( 30-50nm, ?) Lithographie (on ne peut plus courber les rayons lumineux), Au-delà des problèmes techniques, les investissements deviennent colossaux. Le frein viendra-t-il de la technique ou de la finance? Nano-électronique, nanosciences Le mur quantique Imaginer, réaliser, caractériser, comprendre, fabriquer Composants fonctionnant à T ordinaire, Électronique moléculaire Construire des systèmes par autoassemblage Adressage, interconnexions, architecture,.? Miniaturisation Fabrication collective Prix bas Évolution vers des systèmes hybrides

10 1999 CEA/Léti Transistor gates 20 nm CAR-ebeamHQ-ebeam The smallest transistor in the world : 18 nm 2000 X Nano-électronique et électronique moléculaire : pourquoi? Les dispositifs nano ou moléculaires ne s imposeront par rapport à la micro-électronique que s ils : Apportent de nouvelles fonctionnalité Font baisser les coûts Accroissent notablement les performances à un coût égal ou peu supérieur n est loin d avoir des dispositifs ayant les mêmes capacités cognitives que l homme La nano-électronique court et moyen terme L électronique moléculaire long terme µm

11 DE NAN-BJET INTEGRE DAN LA MICRELECTRNIQUE (Nano inside) La nano-électronique s introduira grâce à la micro-électronique T Al i-p i-n + T2 T1 i-qd D Un exemple Robustesse du système pour conserver l information Analogie Mémoire classique = un ballon Mémoire nano = papier bulles Croissance îlots i sur i 2 Mémoire non volatile "nano inside" Control Gate gate i 2 : 8nm i substrate i Quantum Dot Al 2 3 : 1nm i 2 : 2nm Les nanomatériaux Déplacements d atomes sur une surface Kanji «atome» écrit avec des atomes de Fe sur Cu TM : 1981 Corral écrit avec des atomes de Fe sur Cu Monoxide de carbone sur Platine D. Eigler D. Eigler D. Eigler

12 Current ( µa ) 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5 Gate Voltage 30V -30V -1,0-1,5-2,0-0,6-0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 Voltage ( V ) L approche bottom-up L électronique moléculaire Composants électroniques faits avec des nanotubes de carbone Projet IT ource Metal CEA-Motorola Drain i 2 i Gate Marier l inerte l et le vivant Microsystèmes biologiques Les enjeux Miniaturiser / paralléliser / automatiser les procédés d analyse biologique pour traiter ADN, Protéines, probe A probe C Cellules. Les avantages rapidité, fiabilité, coût, sensibilité probe B

13 Les grandes familles de biopuces complexité des objets et des paramètres puces à ADN, puces à protéines ubstrat statique: analyse des macromolécules Laboratoires sur puces + microfluidique: incorporation de réactions enzymatiques CellChips + intégration du vivant ADN protéine Tendances en microélectronique au niveau mondial 1 La microélectonique silicium constitue de plus en plus le moteur des micro et nanotechnologies Besoin vital de maintien dans la microélectronique 2. 2 La microélectonique silicium s engage dans trois grandes mutations : 1. le passage aux tranches de 300 mm coûts Concentration des acteurs sur quelques sites au niveau mondial 2. le passage aux dimensions nanométriques (miniaturisation) complexité Fonctionnement en réseaux au niveau mondial avec les meilleurs acteurs R&D 3. l embarquement de fonctionnalités nouvelles sur les puces (intégration) pluridisciplinarité uverture du spectre de compétences

14 Tendances en microélectronique au niveau mondial 3 La microélectronique silicium va absorber la nanoélectronique ou le concept «nano-inside» Rapprochement des chercheurs amont en nanosciences et des chercheurs aval en microélectronique 4. 4 Dans le sillage de la microélectronique, les microtechnologies diffusent dans tous les domaines technologiques (mécanique, optique, chimie, biologie, énergie, ) Approche pluridisciplinaire 55. Les besoins en compétences pointues explosent Aspect stratégique du volet enseignement Concentrer les moyens technologiques et les compétences scientifiques Finalité : valorisation industrielle de l innovation Thématique : micro et nanotechnologies Le triptyque enseignement recherche industrie Le pôle p Minatec

15 PLYGNE CIENTIFIQUE L implantation du Pôle P MINATEC 8 hectares au sud du CEA Grenoble CEA-LETI Pôle MINATEC m 2 de bâtiments supplémentaires 150 M PERATINNEL : Fin Mi 2005 PREFIGURATIN DEJA PERATINNELLE Conclusion La micro-électronique, basée sur la technologie actuelle actuelle va continuer vers Est-ce la physique ou l économie qui ralentira l évolution? L évolution se fera vers des systèmes hybrides (Nano inside) L électronique moléculaire est pour un futur plus lointain

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