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En vedette - Des micropuces pour l'âge de l'information mobile

Des scientifiques financés par l'UE ont mis au point la dernière technologie de micropuce qui pourrait améliorer les futures générations de processeurs, en particulier ceux utilisés dans les appareils mobiles tels que les tablettes et les téléphones intelligents, fers de lance de la transition vers l'âge de l'information mobile.

Économie numérique

L'année dernière, les ventes de téléphones intelligents ont pour la première fois dépassé celles des ordinateurs portables, ce qui montre que nous sommes bel et bien dans une nouvelle phase de l'âge de l'information. Bienvenue dans l'âge de l'information mobile! Pendant la phase initiale de l'âge d'Internet, les ordinateurs de bureau et les ordinateurs portables ont été connectés entre eux ainsi qu'aux sources d'informations par l'intermédiaire des lignes téléphoniques terrestres des bâtiments. Durant cette genèse de l'âge de l'information, quelques personnes se connectaient souvent à Internet, de nombreuses occasionnellement seulement, et la plupart presque jamais. Cette situation a rapidement évolué avec le développement des communications sans fil, pour arriver finalement aux téléphones intelligents, connectés en permanence. Tout cela est possible grâce à la puissance de l'électronique, toujours plus légère et compacte, encore plus rapide et performante. Mais comme les nouveaux appareils et services auront besoin d'une nouvelle génération de micropuces, plus petites, à faible consommation d'énergie et qui offriront de meilleurs débits, l'Union européenne investit des montants considérables dans la technologie la plus avancée afin que le continent conserve son rôle prépondérant dans la société de l'information. Le projet Duallogic («Dual-channel CMOS for (sub)-22 nm high performance logic») est un exemple de cet effort paneuropéen. «Nous souhaitons améliorer les performances des futures appareils fonctionnant à des basses tensions d'alimentation, et pour cela nous avons besoin de plus de performances en consommant moins d'énergie. Ces exigences sont dues au type d'applications multimédias exécutées sur des petits appareils mobiles alimentés par des batteries à autonomie limitée», déclare Athanasios Dimoulas, coordinateur du projet Duallogic, financé à hauteur de 5,8 millions d'euros par l'Union européenne sur un budget total de 9,3 millions. Les performances et la faible consommation d'énergie étaient les deux objectifs de ce très ambitieux projet de recherche ciblée (projet STREP) du septième programme-cadre de la recherche . Après 40 ans de miniaturisation continue, améliorer encore davantage les performances des micropuces est devenu un défi de plus en plus difficile. Les scientifiques, les ingénieurs et les concepteurs du projet Duallogic devaient donc faire preuve de créativité. Ils ont gardé le silicium comme substrat, mais ils ont porté leurs recherches au-delà du silicium pour trouver des matériaux semi-conducteurs moins courants et créer le canal de conduction à l'intérieur des millions de transistors composant une micropuce. En exploitant les propriétés uniques de divers matériaux semi-conducteurs, l'équipe du projet Duallogic espérait amener les performances des micropuces au-delà des limites intrinsèques du silicium, ouvrant la voie à des circuits plus performants à plus petite échelle. «Comme beaucoup le savent, un circuit intégré - le 'cerveau' de tout système électronique - est souvent à base de silicium. S'il est vrai que ce matériau abonde dans la nature et est facilement exploitable, il ne laisse pas les électrons circuler à travers lui aussi vite que nous le souhaiterions, en particulier dans les applications basse tension», fait remarquer le Dr Dimoulas. «Dans le projet Duallogic, nous souhaitions remplacer les canaux de transistors au silicium par des matériaux semi-conducteurs offrant une meilleure mobilité, comme le germanium et des semi-conducteurs composés afin d'accélérer le déplacement des porteurs de charge – électrons et trous – dans le transistor.» C'était très stimulant, car l'équipe a travaillé sur des tranches de silicium à grande échelle au moyen de techniques à l'échelle industrielle. Voilà pourquoi autant d'instituts et d'acteurs industriels européens majeurs ont participé au projet Duallogic, comme l'IMEC et la Katholieke Universiteit Leuven en Belgique, AIXTRON en Allemagne, le CEA-LETI et STMicroelectronics en France, le NCSR DEMOKRITOS en Grèce, l'Université de Glasgow au Royaume-Uni, et IBM-Zurich en Suisse. Doublement de la logique Le projet a été dénommé Duallogic car il utilisait différents matériaux de canal pour chacun des deux types de transistor présents sur les micropuces, de type p (positif) et de type n (négatif). L'équipe a choisi le germanium (Ge) et le silicium-germanium (SiGe) pour les transistors de type p, et l'arséniure d'indium et de gallium (InGaAs), un semi-conducteur composé et candidat prometteur pour les transistors de type n. Ces matériaux ont été choisis car ils confèrent une forte mobilité aux porteurs de charge dans chaque type de transistor. Connu sous le nom de semi-conducteur III-V, le composé InGaAs est ainsi dénommé car il est constitué d'éléments des troisième et cinquième colonnes du tableau périodique. Ces composés offrent une bien meilleure mobilité, qui correspond à une mesure de la facilité avec laquelle les porteurs de charge peuvent se déplacer dans le réseau du semi-conducteur. Une meilleure mobilité se traduit essentiellement par de meilleures performances. De même, le germanium confère une meilleure mobilité aux transistors de type p. «Cette démarche est considérée comme étant l'une des premières sur la liste des priorités pour de nombreux laboratoires d'intégration de détecteurs de température à résistance (RTD) et de technologies de par le monde», ajoute le Dr Dimoulas. Elle s'est également révélée être une voie de recherche très satisfaisante pour le consortium Duallogic. «Nous avons intégré de manière satisfaisante des transistors de type p au silicium-germanium et nous avons obtenu des résultats de premier plan, bien au-delà des attentes», confirme le Dr Dimoulas. Les résultats pour les transistors de type n ont été plus mitigés, mais tout de même très positifs. L'équipe a réussi à créer des transistors InGaAs et a également trouvé un moyen de les disposer sur un substrat de silicium afin de maintenir les coûts de fabrication à un niveau bas. Cela a été un résultat de grande ampleur, car les problèmes d'intégration et d'architecture sont significatifs lorsqu'il s'agit de fabriquer un transistor à base de semi-conducteur III-V sur un substrat de silicium. L'intégration pour le transistor de type p a été beaucoup plus simple, d'après le coordinateur du projet : «Comme le germanium et le silicium font tous deux partie du groupe IV du tableau périodique, leur structure est similaire et ils sont chimiquement compatibles, si bien que le germanium peut être traité presque comme le silicium». Mais l'InGaAs est moins compatible avec le silicium et présente un plus fort désaccord de réseau, d'où des problèmes de fabrication. La co-intégration des deux types de transistor est encore plus compliquée, ajoute-t-il, mais l'équipe a développé un nouvel outil de fabrication pour faire face au problème de croissance des couches de semi-conducteur III-V sur un grand substrat de silicium. Le Dr Dimoulas affirme qu'il est nécessaire d'étudier de façon plus approfondie le transistor de type n développé dans le cadre du projet. En outre, l'équipe Duallogic a obtenu des résultats significatifs pour un type spécifique d'architecture de transistors dénommée transistors à puits quantiques sans implants, qui pourrait déboucher sur des micropuces offrant des performances encore meilleures que celles des transistors MOS classiques. Acteurs industriels «Nous avons vraiment eu de la chance de pouvoir compter sur la participation de l'IMEC et du CEA-LETI dans notre consortium, car grâce à eux, nous avons pu être mis en contact avec de nombreux acteurs de l'industrie des semi-conducteurs», observe le Dr Dimoulas. Le consortium espère également pouvoir continuer ses recherches, de préférence dans le cadre d'un projet plus grand et avec davantage de partenaires, car les résultats, bien qu'étant à la pointe de la technologie, ne sont pas encore à un niveau qui leur permettrait d'être exploités par l'industrie. «Nous souhaitons également développer des circuits simples, comme des oscillateurs en anneaux ou des inverseurs, et donc nous considérons actuellement des outils RTD appropriés pour pouvoir continuer notre travail», révèle le Dr Dimoulas. Le travail du projet Duallogic a également des effets sur le développement des options technologiques proposées en vue de leur évaluation par l'ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors), qui définit le futur axe stratégique de recherche pour obtenir une miniaturisation encore plus poussée. «Avec l'aide d'universitaires et de développeurs de procédés, le projet a exploré des options technologiques avancées et risquées», indique le Dr Dimoulas. Cela aide l'industrie à potentiellement identifier de meilleures solutions pour ses produits, avance-t-il, en gagnant du temps et de l'argent, et en lui permettant de se centrer sur ses besoins en matière de fabrication et de développement de produits. «La collaboration de 'fabricants d'appareils intégrés' (IDM) avec des fournisseurs de matériel dans le cadre du même projet est une excellente opportunité pour l'industrie de la nanoélectronique, afin de prendre des décisions précoces sur les investissements en matière d'équipement requis pour la fabrication des volumes attendus», conclut-il. Le projet Duallogic a reçu un financement de recherche au titre du septième programme-cadre (7e PC) de l'UE, sous-programme «Next-generation nanoelectronics components and electronics integration». Liens utiles: - projet «Dual-channel CMOS for sub-22 nm high performance logic» - Archives des données du projet Duallogic sur CORDIS - Recherche sur la nanoélectronique sur CORDIS Articles connexes: - De plus en plus petit: un projet de l'UE réduit la taille des puces à semi-conducteurs - Nanoélectronique: un projet inscrit au 6e PC va permettre à l'UE de tenir son rang - 45-nanometre chips for ultra-fast WiFi - Copper's not coping: new chips call on light speed