Jean-Pascal Duchemin - URSI-France

Jean-PascalDucheminde la micro …à la nanoélectronique

VERS LE TRES PETITVERS LE PLUS GRANDNanomondeNanomondMICROELECTRONIQUE

SOMMAIRELa micro-électronique suit la loi de MooreQuand la micro devient nano par conventionsLa nano, plus que des conventions, des effetsmésoscopiquesNanotechnologies et énergieExemples de capteurs - Sensors

QUESTIONS~Qu’est que la nanoélectronique ?La vision de la plate-forme européenne enne ENIAC :(European Nanoelectronic Interactive Advisory Council)- L’ENIACa élaboré la road-mapde la nano-électronique, sorte dechemin tracé pour les semi-conducteurs jusqu’en 2020.- L’ENIACsuit en cela la roadmap de l’ITRS(InternationalTechnology Roadmap for Semiconductors)

Principe d’un transistor MOS (Metal Oxide semi-conductor)Principe d’un transistor MOS (Metal Oxide semi-conductor)- +-+Pour commuter untransistor, il faut dépenser dl’énergie de charge d’une dcapacité : E = 1/2 C V 2SGDCouche très mince dediélectrique (SiO 2 )Silicium peu dopé de P -Silicium très dopé de type N +Canal conducteur induit

Principe d’un transistor MOS (Metal (Metal Oxide Oxide semi-conductor)Réduction drastique drastique de la la taille tailleS GDAnnée

Gordon Moore a émis en en 1965 une règle simpled’évolution de de la la complexité des Circuits IntégrésLOG 2 OF THENUMBER OF COMPOUNDS PERINTEGRATED FUNCTIONFrançois Gernelle et André Truongde la REE imagine et réalise lepremier ordinateur personnelMICRAL 15 à base d’un processeurIntel 8008 composé de 3500transistors de 10 micronsIntel réalise le premiermicroprocesseur intégré :« le 4004 »La première calculatricescientifique : HP 35 ,composée de 4000 transistorsen technologie 10 microns àété commercialisée en 1972D’après DelinYEAR

Tous les 2 ou 3 ans, une nouvelle génération : »Node »Tous les 2 ou 3 ans, une nouvelle génération : »Node »Le processeur 68000 de Motorola composé de 68000transistors en technologie 3 microns a été annoncéen 1979. Il s’est beaucoup utilisé à partir de de 1981.Résolutionminimum de latechnologie(µ m)Les microprocesseurs« double core » :Montecito de Intel etOpteron de AMD ontdépassé le milliard detransistors… et ne pas oublierque la compétition sefait rude sur lesentrées de gamme… à venir le Montvale,…D’après DelinAnnéehttp://www.quickstartmicro.com/

Derrière la loi de Moore – Vitesse / consommationDerrière la loi de Moore – Vitesse / consommationLTous les 5 ans la surface dla surface d’une par : 4transistor est divisée parSGDLet la capacité de lagrille des transistors« C »proportionnelle à lasurface de la grilleest donc divisée par4Pendant ce temps, larésistance d’accès àla grille « R »(inversementproportionnelle à L)est multipliée par2En conséquence,tous les 5 ans, laconstante de temps« τ » = RC de chargedes capacités degrille (ou temps decommutation)de chaquetransistors estdivisée par 4/2 =2Ainsi, la fréquence de fonctionnement, F ~ 1/τ d’un microprocesseurdouble en moyenne tous les 5 ans.D’après G. GaillatSa puissance de calcul est multipliée par 16

Derrière la loi de Moore – Vitesse / consommationDerrière la loi de Moore – Vitesse / consommationTous les 5 ans :N est multiplié par 4C est divisé par 4F est multiplié par 2On cherche alors àdiviser V est par 2La densité de puissance consommée« P s » (puissance consommée parunité de surface) est dissipée dansles capacités de grille des transistorsqu’il faut charger et décharger à lafréquence « F »D’après G. GaillatEn conséquence P s devrat êtremaintenu constant en l’absenced’effets parasitesP s ~ ½ CV 2 x N x FCapacité de lajonction grilletensionnombre detransistors parunité de surfacefréquenceMais Et en la puissance fait, à cause totale d’effets consommée parasites, « la P t »puissance devrait doubler consommée tous les a toujours 5 ans avec augmenté labeaucoup surface. plus vite.

Derrière la loi de Moore – Vitesse / consommationDerrière la loi de Moore – Vitesse / consommationMHz1.10 4 - 680001.10 31.10 2- 80486Intel- PentiumIntel- Pentim 4Intel- ItaniumIntel1.10 1- 80386DXIntel1.10 0- 68000Motorola- 8008IntelD’après G. GaillatAinsi, la fréquence de fonctionnement, F ~ 1/τ d’unmicroprocesseur Mais ce n’est double plus vrai en moyenne depuis quelques tous les années 5 ans

Complexité croissante des microprocesseurs IntelComplexité croissante des microprocesseurs IntelTransistorspar circuit2 10 9MontecitoItanium 2(9 MB cache)1 10 9 20050 286 386 486198019851990AnnéePentium1995Pentium 4Pentium 32000

Micro & Nanoélectronique –More MooreMore MooreMM se réfèreauxtechnologies«scalable»L’évolution L’évolution des des techniques techniques de delithographie lithographie a permis permis de deréaliser réaliser des des gravures gravures de de plus plusen en plus plus fines fines90 nm (2005) 60 nm (2009) 32 nm (2012) 22 nm (2015) 16 nm (2018)

YEARnode2005 90 nmLa Lithographie2007 65 nm2009 45 nm2012 32 nm2015 22 nm2018 16 nmBeyond CMOS

Micro & Nanoélectronique –More MooreMore MooreMM se réfèreauxtechnologies«scalable»Avec Avec la la réduction réduction des desdimensions dimensions des des effets effetsparasites parasites apparaissentapparaissent90 nm (2005) 60 nm (2009) 32 nm (2012) 22 nm (2015) 16 nm (2018)

Principe d’un transistor MOS (Metal Oxide semi-conductor)Principe d’un transistor MOS (Metal Oxide semi-conductor)- +-+SGDCouche d’isolantCanal conducteur

Fuite des électrons à travers le diélectrique : effet tunnelFuite des électrons à travers le diélectrique : effet tunnelGrillemétallique+Couchediélectriqueisolanteqq nmCanalconducteurSilicium peu dopé « P »Fuite des électrons au travers de la couchemince de diélectrique par effet tunnel-

Limitation de la loi de Moore - vision de l’ENIACLimitation de la loi de Moore - vision de l’ENIAC

Limitation de la loi de Moore - vision de l’ENIACLimitation de la loi de Moore - vision de l’ENIACLe cuivre remplace l’aluminiumDes matériaux « low k »remplaceront la silice etle nitrure.Interconnections traditionnelles

Tenue aux rayonnement / radiations~~Décharges électrostatiquesRadiations….C’est avant tout une affaire de taille

Tenue aux décharges électrostatiquesTenue aux décharges électrostatiqueswL’énergie d’une décharge électrostatiquecontribue contribue à chauffer le volumedu composant impliqué dans sonfonctionnementShDLLa température maximum atteintependant une impulsion d’énergie« E » est :T max=C calorifiqueE électr.h : profondeur affectée pendant la déchargexW L hV : Volune affecté par la déchargeEn 15 ans, V aété divisé par :64

Tenue aux radiationsTenue aux radiationsLe problème est encore plussévère car il faut comparerl’énergie générée par la radiation(E rad ) à l’énergie stockée dans lacapacité (1/2 CV 2 )Vdd" 0 " " 1 "OffP1P2OnVddVdd" 1 " " 0 "OnP1P2OffABVssABNNOnN1N2OffPOffN1N2OnVssTransistor NMOS of a memory cell SRAMVssPar courtoisie, Jean-Claude Boudenot

QUESTIONS~Quand passe t-onde la micro-électroniqueà la nano-électronique ?


Micro & Nanoélectronique – More MooreMicro & Nanoélectronique – More MooreLes industriels européens ens changent la microélectroniquede nom en2003 pour financer leurs développementsd

QUESTIONS~La nano-électronique n’est-ellequ’affaire de dimensions?

Micro & Nanoélectronique – More than MooreMicro & Nanoélectronique – More than MooreMtM se réfèreauxtechnologiesnon«scalable»

Micro & Nanoélectronique – More than MooreMicro & Nanoélectronique – More than Moore

Micro & Nanoélectronique – More than MooreMicro & Nanoélectronique – More than MooreForte intégration : System on Chip (SoC)etSystem in Package (SiP)

Micro & Nanoélectronique –Beyond CMOSBeyond CMOS2020 2040En 2020, latechnologieatteindra seslimitesphysiques

Micro & Nanoélectronique – More than MooreMicro & Nanoélectronique – More than MooreElectronic Design Automation (EDA)

Micro & Nanoélectronique – Beyond CMOS?

La rupture attendue au-delà de 2020est appelée : Beyond CMOSMais avant :« Side by side with Moore »

Micro & Nanoélectronique – Side by side with MooreMore Moorese réfère auxtechnologies«scalable»Side Side by by Side Sidewith with Moore MooreSide Side by by Side Sidewith with Moore MooreBeyond CMOS


Propriétésdel’électronChargee -E+Loi d’Ohmτ : temps entre deux collisions

Propriétésdel’électronChargee -SpinOndeEune particuleest aussi uneonde :+les électronsont un spin :+ 1/2 or – 1/2λ =hmvCollision et perte de la phaseLoi d’Ohmτ : temps entre deux collisionsSuperposition de deux ondes

De la Micro à la Nano – Side by side with MooreDe la Micro à la Nano – Side by side with MooreMicro-électroniqueNano-tronitroniquePropriétésdel’électron:Chargee -SpinOndeSpintroniqueMoletronique

S T M – Side by side with MooreS T M – Side by side with MoorePrincipe du microscope à effet tunnel à balayage(Scanning tunneling microscope)Effet tunnel

AFM – Side by side with MooreAFM – Side by side with MooreMICROSCOPE A FORCE ATOMIQUEDans le microscope àforce atomique, unepointe extrêmementfine suit les aspéritésde la surface àétudier. Elle transmetses mouvements à unlevier dont lesdéplacements sontsuivis par un laser.Pointe

A F M et S T M : Deux usagesA F M et S T M : Deux usagesA F MConstruction d’uncorail quantiqueatome par atome1) Déplacer des atomes(molécules)S T M2) Caractériser une surface

S T M – Side by side with MooreS T M – Side by side with MooreMusée e d’images dà IBMQuantum corral (Iron on copper)Stadium corral (Iron on copper)Rectangular corral (Iron on copper)

S T M – Side by side with MooreS T M – Side by side with MooreJean-Philippe BourgoinCEA

Conduction moléculaire – Side by side with MooreConduction moléculaire – Side by side with MooreDéplacement des électrons délocalisés sous l’effet d’un champ électrique-ccHHccHccH+Electrons πdélocalisésDoubles liaisons

S T M – Side by side with MooreS T M – Side by side with MooreJean-Philippe BourgoinCEA

Carbone nanotubes – Side by side with MooreCarbone nanotubes – Side by side with MooreStructure d’un dnanotubede carbone mono-paroisEnroulement d’un feuilletSurface d’un feuillet degraphite analysée au STMnanotube mono-paroisFeuillet de graphèneLa cohésion entre les différents plans estassurée par le recouvrement des électronspi situés dans le plan perpendiculaire.Dans le carbone graphite, la densitéélectronique se distribue dans troisdirections à 120°les unes par rapportaux autres pour assurer la cohésion dechaque plan de graphène (liaisonssigma)

Carbone nanotubes – Side by side with MooreCarbone nanotubes – Side by side with MooreMonotubes de carbone simple mur et multimurSingle wall (SWNT) and multiwall (MWNT) carbon nanotubesMonotube simple paroisMonotubes multi-paroisSéparation entre parois : 0,34 nmDiamètre : quelques nm

Chiralité des nanotubes de carbone monoparois –Chiralité des nanotubes de carbone monoparois –n = 6Enroulement zigzagm = 4Si : n – m estmultiple de 3, lenanotube estmétallique,autrement, il estsemi-conducteurEnroulement armchairLa chiralité de ce nanotube est : n = 6, m = 4

Side by side with Moore~Les transistors nanotubes~La nano-électronique sous videIl ne faudrait surtout pas attendre 2020 pour trouver des applications auxnouvelles technologies. Chercher de nouvelles applications est l’affaire de touset pas seulement celui des « industriels » qui ont des problèmes difficiles decompétitivité sur leurs marchés déjà existants.

Transistors à un seul CNT – Side by side with MooreTransistors à un seul CNT – Side by side with MooreTransistor simple paroi(CNFET)Nanotubeφ ~ 1nmPh. Avouris, IBM

Transistors CNT MAT 2D – Side by side with MooreTransistors CNT MAT 2D – Side by side with MooreLorsque la densité de nanotubes monoparoisest de quelques unités par µ 2 , les nanotubessemiconducteurs forment une continuitéélectrique entre la source et le drain.Lorsque la densité de nanotubes monoparoisest de quelques dizaines d’unités par µ 2 , lesnanotubes métalliques forment une continuitéélectrique entre la source et le drain.Ainsi, un transistor peut être réalisé par simplement avec des nanotubes monoparois :- Le canal étant constitué de nano-tubes peu dense.- Les contacts source – drain et la grille étant constitués de nano-tubes très denses- une couche mince de diélectrique organique isole la grille du canal

Nano-électronique sous vide

Nanoélectr. sous vide – Side by side with MooreNanoélectr. sous vide – Side by side with Moore5µm100 µAÉmission d’électrons80 µA < Max current < 120 µA+ -Cathode froideNanotubes de carboneCathode froideen nano-tubesde carbone

Nanoélectr. sous vide – Side by side with MooreNanoélectr. sous vide – Side by side with MooreMontage triodesSortie RFoutputPumpingsystem32 GHzCavity tuningRF outputCathode NanotubesAnodeAnodeInputcavityRF inputOutputcavity32 GHzGridTeo, E. Minoux, L. Hudanski, F. Peauger, J.-P.Schnell, L. Gangloff, P. Legagneux, D.Dieumegard, G. Amaratunga, and W. 1.K. B. K.I. Milne, “Microwave devices : CarbonNanotube as Cold Cathodes”, Nature 437, 968(2005)RF inputEntrée RFProfondeur demodulation : 40%,Densité de courant :0,32 A/cm-2

Ecran plasma nanotube – Side by side with MooreEcran plasma nanotube – Side by side with Moore

Side by side with Moore~L’électronique de SpinIl ne faudrait surtout pas attendre 2020 pour trouver des applications auxnouvelles technologies. Chercher de nouvelles applications est l’affaire de touset pas seulement celui des « industriels » qui ont des problèmes difficiles decompétitivité sur leurs marchés déjà existants.

Electronique de SPIN(Spintronics)

Spin des électrons – Side by side with MooreSpin des électrons – Side by side with MooreLe spin des électrons peut s’interpréter en considérant qu’ilssont pourvus d’une charge électrique distribuée sur leurpériphérie et qu’ils sont animés d’un mouvement de rotation,dans un sens pour un spin, dans l’autre sens pour l’autrespin.- δ- δ- δ- δ- δ- δ- δ- δ - δ- δ- δSi on définit darbitrairementque cet électronpossède le spin+1/2Celui-ci possèdearbitrairement ple spin -1/2

Spin des électrons – Side by side with MooreSpin des électrons – Side by side with MooreDirection del’aimentationINJECTION D’ ELECTRONS POLARISES EN SPINFeFeCrLes électrons circulant dans unmatériau ferromagnétique (Fe)magnétisé, ont tous le même spinLes électrons polarisés peuvent être injectés dans unmatériau non magnétique. Ils conservent leur spin surune petite distance puis ils diffusent.FeCrFeToutefois, si la couche du matériau nonmagnétique est mince, les électrons conserventleur spin puis ils peuvent être être réinjectésdans une nouvelle couche de matériaumagnétique si son aimantation est la même.FeCrFeOu être arrêtés sil’aimantation estcontraire.

Magnétorésistance géante – Side by side with MooreMagnétorésistance géante – Side by side with Mooreapplication au stockage


Energie – Accumulateurs Li-ionEnergie – Accumulateurs Li-ionCLEFS CEA – N°50/51

Energie – Accumulateurs Li-ionEnergie – Accumulateurs Li-ionLe remplacement duplomb, Pb 2+ , (M =207) parle Lithium Li + , (M=6,9) doitconduire à une réductionde poids dans le rapport :207 / (6,9 x 2)LiPbAu cours d’un cycle de charge etde décharge, l’ion Li + circule entredeux électrodes où après réductionle lithium métallique n’apparaîtjamais libre mais sous la forme deproduits d’intercalation :ÉlectrodenégativeLi/graphiteÉlectrodepositiveLi/oxydemétallique

Energie – Accumulateurs Li-ionEnergie – Accumulateurs Li-ionDe nombreux matériaux deremplacement sont étudiés

Energie – Accumulateurs Li-ionEnergie – Accumulateurs Li-ionNanotubes WS 2

Energie – Piles à combustiblesEnergie – Piles à combustiblesDe nombreux travaux concernent lamembrane « électronique polymère »et ses interfaces avec les électrodes.CLEFS CEA – N°50/51CLEFS CEA – N°50/51Des études menées au CEA et au CNRSenvisagent aussi la catalyse desréactions anodiques et/ou cathodiquespar des enzymes élaborées par desbactéries (biocatalyse).

Energie – Piles à combustiblesEnergie – Piles à combustiblesCLEFS CEA – N°50/51

Energie – Stockage de l’hydrogèneEnergie – Stockage de l’hydrogèneHonda et le Lawrence Livermore NationalLaboratory ont annoncé pouvoir stocker6% d’hydrogène en masse dans desnanotubes de carbone à 2 Mpa et 77K.CLEFS CEA – N°50/51

Blindages électromagnétiques

Composite - nanocompositesComposite - nanocompositesFibres(Kevlar)PyrolyseFibresdecarboneHOHCCCCOHCHCCHCOOPolymérisationrisationHHHNHCCCHCCHCHHNHHMonomères « meta »HMatricesCN C C N HOOpolymèresàrenforcent la tenue desH C CH Hmatériaux composites H aux3 dimensions H H Monomères « para »CCHPolymérisationLes nanotubes de carbonechocsUn matériau polymèrecomposite se composede fibres enrobéesdans une matrice 3DHOCHCCCCHCCOH

Nano-composites - conducteursNano-composites - conducteursHOHCCCCOHCHCCHMatricespolymèresà 3dimensionsCOOPolymérisationrisationHHHNHCCCHCCHCHNano- fibresNHHMonomères « meta »PyrolyseNano-fibresdecarboneConstituées des plans degraphène conducteur,les nanofibres decarbone ont un diamètrequi est environ 100 à1000 fois plus petit quecelui des fibresstandards. Pour unemême masse, elles ontune longueur qui estdonc de 10 4 à 10 6 foisplus grande.


Capteurs - sensors

Antenne à moduldes actifs – Nitrure de galliumAntenne à moduldes actifs – Nitrure de galliumSatellite Stellat 5Liaisons Hyperfréquencespourtélécommunications spatialeComme pour les radars,la solution sera lebalayage électronique

Antenne à moduldes actifs – Nitrure de galliumAntenne à moduldes actifs – Nitrure de galliumModules actifsPlan d ’ondeDirection de pointageRetard dephase

Antenne à moduldes actifs – Nitrure de galliumAntenne à moduldes actifs – Nitrure de galliumModules actifsDirection de pointagePlan d ’onde

Antenne à moduldes actifs – Nitrure de galliumAntenne à moduldes actifs – Nitrure de galliumDirection de pointageModules actifsPlan d ’onde


Antenne à moduldes actifs – Nitrure de galliumAntenne à moduldes actifs – Nitrure de galliumModules actifsPlan d ’ondeDirection de pointageRetard dephase


Antenne à moduldes actifs – Nitrure de galliumAntenne à moduldes actifs – Nitrure de galliumDirection de pointageModules actifsLe pointage des antennes àbalayage ne consomme pasde combustiblePlan d ’onde

Antenne à moduldes actifs – Nitrure de galliumAntenne à moduldes actifs – Nitrure de galliumLes composants en nitrure de galliumsont moins sensibles aux impulsionshyperfréquences que ceux en AsGa

SWITCHES Hyperfréquences – MEMSSWITCHES Hyperfréquences – MEMSActivité MEMSPrincipe ↑ et application →

SWITCHES Hyperfréquences – MEMSSWITCHES Hyperfréquences – MEMSTechnologie MEMSVues MEB d ’une cellule élémentaire

Atomes froids – Gyroscope du futurAtomes froids – Gyroscope du futur(1978-…)

Path finder -Sojourner– puits quantiques sur MarsPath finder -Sojourner– puits quantiques sur MarsPanneaux solairesenGaAs/GaAlAsThomson-CSF aconçu et fabriqué leréacteur d’épitaxiequi a réalisé lescellules solaires

Huyghens – puits quantiques sur Titan (GaInAs/InP)Huyghens – puits quantiques sur Titan (GaInAs/InP)Pendant la descente :Acquisition d’images en moyenIR dans la bande 0,9 – 1,72 µm àl’aide d’une barrette en rotationfaite de matériau GaInAs/InPDouble barrette :C’était le parachuteen rotation pendantla descente quiassurait l’acquisitiondes données dans ladeuxième dimension

~ Merci de votre attention

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Micro & Nanoélectronique – complexité croissanteMicro & Nanoélectronique – complexité croissante1.E+10MontecitoItanium 2(9 MB cache)ANNEE2010

NEMSNano-ElectricoElectrico-Mechanico-Systems(Nano-MEMS)

La molécule de fullereneLe cycle à 5 carbonesDistord le plan de graphène

NEMS (Nano(Nano-MEMS)(Nanotechnology electromechanical systems)Oscillations mécanique à 1,2 Tera-hertz

Micro & Nanoélectronique – un enjeu économiqueMicro & Nanoélectronique – un enjeu économiqueSemiconductors

Micro & Nanoélectronique – More than MooreMicro & Nanoélectronique – More than Moore

Températured’un réacteurnucléaire

Jean-Pascal Duchemin - URSI-France

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