Nanoélectronique Qu est-ce que c est? Enquête sur le Plateau de Saclay Gérard Bruneau, Simone Cassette, Louis Sangouard
Echelle nano 1à 100 nm
Premier circuit intégré, Jack Kilby 12 septembre 1958, Texas Instrument 5 composants transistor, résistance, capacité Matériaux: semiconducteur, métal, isolant Electronique : électrons qui passent ou passent pas dans un matériau Signal ± fort ± long ± rapide Contrôle du signal (commande, opérations ) : transistors et circuits intégrés Stockage des informations (sous forme 0 ou 1) : mémoires
La nano électronique Du transistor à la nano électronique : le royaume du silicium Nouveaux matériaux et nouvelles architectures Capteurs à base de nanomatériaux Les nanomatériaux pour l énergie Photonique
La taille diminue, la complexité augmente Techno Silicium 1971 : Microprocesseur 4004 2006 : Microprocesseur Titanium 2 / Montecito Exemples Intel 2300 transistors Techno PMOS 10 µm Fréquence = 108 khz Puce de 3.5 mm 2 1972 : 1 ère calculatrice scientifique HP 35 1,72 milliards de transistors, techno 90 nm Coupe transistor MOS 2009 : Mémoire flash 32Gb concentre 1000 pages de texte par mm2!
Une Transition progressive Plus forte intégration (plus et plus vite) => dimensions nanométriques «Nœud» technologique Longueur physique de la grille du transistor Techno Silicium Une réduction des coûts unique dans l histoire de l industrie! 1 million de transistors = 75 000 en 1973.= 0,005 en 2005
Passage de la micro à la nano électronique Objectifs : Plus forte intégration Plus faible consommation Des problèmes nouveaux à traiter La réalisation : nouveaux équipements, nouvelles techniques Le contrôle : dimensionnel mais aussi thermique et électrique => nanométrologie Les matériaux en couche ultra mince : propriétés différentes => nouveaux matériaux. aux limites de la physique! Faible dimension, faible tension de commande => réduction signal /bruit Diminution du nombre d électrons en jeu=> forte sensibilité aux défauts (pièges) Courants tunnel, couplages => performances diminuées Résistances et capacités parasites ont un poids plus important Les problèmes de thermique deviennent très importants La fiabilité est à ré-étudier
La technologie «nano» La lithographie (transfert des schémas de conception sur le matériau) devient très très compliquée et très chère : 1 machine = plusieurs M => réservé aux fabs Silicium (en France : ST Microelectronics à Crolles) Limite physique et limite de coût! Dans les labos du plateau, en recherche, on utilise: UV Ecriture directe par faisceau d électrons Nano impression moule Mise au point! g Résolution 1 à 0.5 µm Résolution qq nm Résolution < 50 nm Lent et cher! Croissance de nanotubes Grande surface, réseaux, substrats souples antireflet
L évolution des matériaux: toujours du silicium, mais pas que! Limite dans la réduction de l épaisseur des couches => nouveaux matériaux Des substrats amincis (SOI) et de nouvelles techniques (sources Numonyx, Euroforum 2009) métalliser dans des tranchées ALD (dépôt par couche atomique) Electronique moléculaire CEA IRAMIS
L instrumentation pour le contrôle, la caractérisation Un domaine important des nanotechnologies! Voir à l échelle nano, le microscope électronique Les structures : microscope à balayage (MEB) les matériaux: microscope à transmission (MET) matériaux Mesurer avec le microscope à force atomique (AFM) (Images CNRS) Couches de semiconducteurs Pointe NTC La nanomanipulation!
Les mémoires Non volatiles Fiables Haute densité Basse tension Rapides Faible consommation Dimensions nano Christophe Muller
Quelles mémoires? Mémoires Flash : basées sur une variation de charge Mémoires basées sur une variation de résistance Mémoires magnétiques : une révolution pour la HD, la spintronique Mémoires Ferroélectriques polarisation Mémoires à macromolécules Mémoires à changement de phase Chalcogénures (Ge 2 Sb 2 Te 5 ) Mémoires chimiques Memristors oxydes (TiO2) (ex.hewlett Packard)
De l électronique à la spintronique Electron = charge + spin (caractère magnétique) Spin up Spin down Matériau magnétique => polarisation de spin ( ou ) A.Fert (Univ Paris Sud) Nobel 2007 pour la Magnéto Résistance Géante La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 i P AP SrTiO 3 Ferro-M isolant Faible résistance Bit=0 Forte résistance Bit=1 La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 TMR = Magnetorésistance tunnel Faible consommation Très forte densité de stockage Résistance aux radiations Commutation rapide <<ns Données stockées par la direction (P ou AP) des couches magnétiques MRAM Freescale 1 ère génération: la commutation se fait par un champ magnétique externe => limite la densité.autres solutions en étude
Les nouveaux matériaux Le graphène Le graphite devient un matériau de pointe! Graphène exfolié 1 ou 2 couches! (Images UMR Thales CNRS) Transistor : profilométrie pour voir la couche! L évolution des architectures Electrode transparente sur substrat souple Circuits neuromorphiques Intégration de plusieurs fonctions sur une même puce Forte interconnectivité : - calcul massivement parallèle - haute tolérance aux défauts Interface bio électronique
Les capteurs Reconnaissance => conversion en signal => récepteur Capteurs à base de nanotubes, nanofils Détection de molécules chimiques (gaz) (Images Thales) I DS V GS x % Détection biologique Membranes nanoporeuses => détection métaux dans l eau (Polytechnique) Polymères nanoporeux => détection polluants de l air (ETHERA) Intérêt «nano» + grande sensibilité limite de détection abaissée Réponse + rapide
La «nano» photonique Si on remplaçait les électrons par des photons Circuits optiques intégrés Mixer les fonctions optiques et les fonctions électroniques Le composant de base : les cristaux photoniques Structuration des matériaux (gravure) pour guider, ralentir et stocker la lumière Guidage vertical: membrane Guidage dans la couche : les trous! (matériau + dimensions) Confiner la lumière: cavités Lignes à retard commandables Commutateurs optiques Filtres en longueur d onde Nanolasers. Modulateur accordable thermique Nanolaser
Les sources d énergie Les nanomatériaux permettent d optimiser les performances de diminuer la consommation d éléments rares ou chers (Pt)
Nanomatériaux pour l énergie : batteries Lithium:ion CEA Nanopoudres + nano tubes C/nanofils Si/ graphène Electrode nanostructurée Cu/Fe3O4
Des nano batteries! Impression 3D (Berkeley Univ juin 2013)
Nanomatériaux pour l énergie : piles à combustible Nanocatalyse : diminuer la quantité de platine
Nanomatériaux pour l énergie : cellules solaires Utiliser plus le spectre solaire (visible -> IR) Intégration de nanofils de silicium Plus forte absorption Amincir le substrat Si Augmenter l efficacité de conversion Approche multi jonctions : matériaux III-V (Ga,In, ) (cellules minces)
Enquête sur le plateau de Saclay À l origine de notre intérêt: le programme NanoInnov! Lancé en 2009, sur 3 pôles, Grenoble, Toulouse et Saclay (70 M ) Objectif Saclay: créer un lien concret entre la recherche fondamentale et le secteur industriel, démarche interdisciplinaire, intégration de nanotechnologies et de logiciels dans des systèmes innovants (électronique, transport, énergie, biotechnologies, sécurité ) Matériaux,physique,applications CEA LIST et IRAMIS Univ. Paris Sud, Institut Telecom, CNRS 900 chercheurs Equipex TEMPOS
CEA EDF C2N Horiba Jobin Yvon Telecom Danone Thales Institut d optique Polytechnique