La nanoélectronique ne peut être que quantique - CEA

Des nanosciences aux nanotechnologiesExploiter les propriétésles plus intimes de la matièreSpintronique et nanomagnétismerepoussent les limitesdu stockage de l’informationDepuis l’introduction des disques durs en 1954, le magnétisme gouverne le stockagede l’information à haute densité dans les ordinateurs. La découverte de lamagnétorésistance géante, en 1988, en a révolutionné le principe de lecture.Pour aller plus loin encore dans les performances, les chercheurs veulent utiliserun nouveau degré de liberté intrinsèque de l’électron, son spin.Banc magnéto-optiqueau CEA/Grenoble pourmesurer l’aimantationde films minces :l’échantillon magnétiqueréfléchit le faisceau laserrouge envoyé sur luien modifiant l’état depolarisation de sa lumière.Le magnétisme détient une part dominante dans lestockage de masse de l’information,estimée en 2002par l’Université de Berkeley à 92% de l’informationnumérique nouvellement créée.Ses remarquables progrèspermettent aujourd’hui de coder l’informationdans les disques durs sous la forme de très petits domainesmagnétiques d’environ 40 160 nanomètres (nm).Les capteurs qui les lisent exploitent la dépendance enchamp de la résistivité électrique par le biais de phénomènesphysiques comme la magnétorésistance géante(encadré 1).Aller plus loin dans les performances susciteun important effort de la recherche de base, tant ducôté du média (support physique de l’information)que du côté des phénomènes en œuvre dans les capteursmagnétorésistifs. En particulier, il est nécessaired’explorer de nouveaux matériaux et de nouvellesgéométries de média pour éviter l’apparition dusuperparamagnétisme (encadré 2).La magnétoélectronique est née en 1988 à Orsay avecla découverte du phénomène de magnétorésistancegéante.Depuis quinze ans,le CEA est impliqué de façontrès active dans la recherche de base sur ces nouveauxmatériaux et sur ces phénomènes ainsi que dans leurvalorisation dans un domaine qui s’est considérablementétendu et diversifié. Le magnétisme se trouveainsi à la base d’une nouvelle discipline née du rapprochementavec l’électronique. Jusqu’à présent, cettedernière s’est entièrement construite sur la manipulationde la charge électrique des électrons.Par exemple,dans les mémoires vives des ordinateurs, l’informationest stockée sous la forme de charges électriqueslocalement piégées dans de petites capacités électriques.Or,les électrons,en plus de leur masse et de leur charge,possèdent une autre caractéristique intrinsèque : lespin.Il s’agit d’une grandeur typiquement quantiquemais dont peut être donnée une image en se repré-Artechnique/CEA8CLEFS CEA - N° 52 - ÉTÉ 2005

La magnétorésistance1La magnétorésistance traduit la dépendancede la résistivité électrique en fonction de l’aimantationd’un matériau, et donc en fonction d’unchamp magnétique appliqué. Depuis très longtemps(1857) est connue la magnétorésistanceanisotrope : la résistivité électrique varied’environ 4 % en fonction de l’angle entre lecourant et l’aimantation de la couche et estminimale lorsque le courant se propage perpendiculairementà l’aimantation locale.La magnétorésistance géante a été découverteen 1988, conjointement par Albert Fert (Orsay) et Peter Grunberg(Allemagne), dans des multicouches Fe/Cr. Ce phénomène estexploité dans les vannes de spin (1) où deux couches ferromagnétiquessont séparées par une fine couche non magnétique(par exemple du cuivre, non représenté sur la figure) : la résistancevarie de 10 à 20% en fonction de l’orientation relative desaimantations des deux couches magnétiques et est minimalelorsque les aimantations des deux couches magnétiques sontparallèles. Si l’une des couches voit sa direction d’aimantationfixée, et si la seconde est très sensible au champ appliqué, ceR

Des nanosciences aux nanotechnologiesFigure 1.Schéma illustrantla transition obtenuepar irradiationpar des ions hélium, entrela phase chimiquementdésordonnée (à gauche),et la phase chimiquementordonnée (à droite),qui présente une directionfacile d’aimantation,suivant l’axe C,perpendiculaire auplan des couches puresde fer (en rouge) etde platine (en bleu).Banc de mesures électriques spectrales large bande(0-26 GHz) dédiés à l’étude de nanostructures magnétiquesà courant polarisé en spin au CEA/Grenoble.petits grains d’alliage ferromagnétique (1) à base de cobalt,de chrome et de platine (CoCrPt).Afin de préserver unrapport signal sur bruit acceptable en dépit de la dispersiondes propriétés des grains, un nombre minimal de100 grains par bit d’information est nécessaire. Auxdensités de stockage actuelles (30 Gbit/cm 2 ),la taille desgrains est maintenant d’environ 7 nm et, dans le cadredes technologies actuelles, ne pourra plus être réduitefortement sans remettre en cause la stabilité de l’informationen fonction de la température, la barrièred’énergie séparant deux directions de l’aimantationdevenant trop faible pour éviter un comportementsuperparamagnétique.Face à cette difficulté,deux voiessont explorées, au niveau international et au CEA :l’utilisation de matériaux nouveaux présentant de trèsfortes anisotropies magnétocristallines et la mise enœuvre de nouvelles géométries de média.Parmi les nouveaux matériaux envisagés, le meilleurcandidat est certainement l’alliage de fer et de platine(FePt), à l’anisotropie magnétocristalline gigantesqueCArtechnique/CEAsous sa phase chimiquement ordonnée (dite L1 0 ), quipeut être vue comme une alternance de plans atomiquespurs de fer et de platine (figure 1).L’aimantationserait stable à température ambiante pour des grainsde 3 nm! Le problème est que cette phase particulièren’apparaît qu’à des températures de croissance de 500 °Cenviron, délicates à mettre en œuvre en fabrication.Aussi,en collaboration avec des équipes d’Orsay (CNRS)et du centre de recherche allemand de Rossendorf, leCEA/Grenoble a exploré une voie novatrice reposantsur l’utilisation d’ions hélium pour accélérer les processusde mise en ordre chimique à températuremodérée. En effet, à des énergies de 20 à 130 keV,l’interaction ion-matière est faible (un atome déplacépour 100 plans atomiques traversés) et le transfertd’énergie limité: l’atome cible est déplacé de quelquesdistances interatomiques, dans une position interstitielle,laissant une lacune dans le réseau cristallin.Dans ces conditions particulières, il n’est pas introduitde désordre, et les lacunes créées – par le faisceau incident– diffusent au sein du matériau. Elles permettentaux atomes de changer de site sur le réseau dans deséchanges hors équilibre, à basse température. En irradiantà une température de l’ordre de seulement 200à 300 °C,elles offrent au système la possibilité de relaxervers son état ordonné,plus stable.Le mécanisme reposesur le biais énergétique du mouvement de la lacune,piloté par les liaisons créées et rompues, qui favorisela mise en ordre chimique en reconstruisant la phasestable au fil des échanges successifs entre atomes voisins.À partir de conditions initiales particulières, unordre chimique presque parfait est ainsi obtenu,démontrantainsi une versatilité nouvelle des techniques d’irradiation,etrendant le matériau FePt synthétisable dansdes conditions technologiquement acceptables.À plus long terme, l’avenir repose probablement surl’abandon des médias continus au bénéfice de médiasdiscrets. Dans les médias actuels, plusieurs dizaines degrains cristallographiques d’un alliage à base de CoCrPtsont utilisés pour supporter un seul bit d’information,afin de compenser par un effet de moyenne ladispersion des propriétés de ces grains.Dans des médiasdiscrets, des plots magnétiques, tous identiques, sontphysiquement isolés les uns des autres. Il est alorspossible d’utiliser un seul grain par bit, ce qui permetd’accroître fortement les densités accessibles. Dans lelaboratoire Spintec du CEA/Grenoble, associant laDirection des sciences de la matière du CEA,le CNRS,l’université Joseph Fourier et l’INPG (Institut nationalpolytechnique de Grenoble), en collaboration avecle CEA-Leti (Laboratoire d’électronique et de technologiede l’information), une solution originale estexplorée. Elle consiste dans la gravure préalable dususbtrat (silicium, verre, aluminium) sous la formed’un réseau de plots,avant le dépôt du matériau magnétique,qui vient alors recouvrir le sommet des plots etles tranchées qui les séparent. Cependant, du fait dela plus grande proximité avec la tête de lecture,la partieutile du dépôt magnétique est située au seul sommetdes plots. La figure 2 montre l’exemple d’une imagemagnétique obtenue sur un tel média. Des densitésde 40 Gbit/cm 2 ont été démontrées, et la voie semble(1) Ferromagnétique : propriété qu’ont certains corpsmétalliques de présenter une aimantation forte, dans le mêmesens que le champ appliqué.10CLEFS CEA - N° 52 - ÉTÉ 2005

ouverte jusqu’au Tbit/cm 2 .Pratiquement, le substratinitial peut être réalisé par une technologie de nanoimpression(nanoimprint) utilisant un moule d’abordréalisé par lithographie électronique (étape coûteuse),puis utilisé un grand nombre de fois pour transférerle motif sur de nouveaux substrats par simple pressagede la résine lithographique.100 nmmulticoucheCo/Ptgrains CoPtLes phénomènes de magnétorésistanceappliqués aux mémoires MRAMaFigure 2.En (a), image obtenue par microscopie à force magnétique, de plots magnétiques de 100 200 nmconstitués d’une multicouche (Pt/Co) n déposée sur un substrat de silicium prégravé. Chaqueplot présente une aimantation pointant vers le haut, ou le bas, indépendamment de ses voisins,et peut donc supporter un bit d’information. Un tel système a été lu avec succès par une tête delecture classique. En (b), image en coupe obtenue par microscopie électronique entransmission d’un plot de silicium recouvert d’une multicouche Co/Pt.lecturelignede motécriturelignesde motécriture “1”ligne de bit“1”“0”écriture “0”lignes de bitLe lien entre propriétés de transport électronique etmagnétisme est à la base de nombreux phénomènesde magnétorésistance (dépendance de la résistanceélectrique du champ magnétique appliqué),largementétudiés dans les laboratoires de la Direction des sciencesde la matière du CEA, dans une perspective tantfondamentale qu’appliquée. Sur ce dernier plan, lesefforts portent essentiellement sur le développementde nouvelles technologies pour les mémoires magnétiquesà accès aléatoire (MRAM), qui sont l’un deschamps d’application les plus importants de la spintronique.Elles utilisent comme éléments de stockagedes jonctions tunnel constituées d’une fine barrièreisolante (~1 nm) séparant deux couches magnétiques.Ces jonctions sont lithographiées et gravées sous laforme de piliers de dimension submicronique. Desélectrodes conductrices, à la base et à leur sommet,permettent d’injecter un courant électrique au traversde la barrière. Une jonction tunnel magnétique secomporte avec le spin des électrons comme le fait uncouple polariseur/analyseur en optique avec la polarisationdes photons:on peut faire varier la transmissiondes électrons à travers la barrière tunnel enjouant sur l’angle entre les aimantations des deuxcouches magnétiques. Pour ce faire, la direction d’aimantationde l’une des deux couches est fixée, tandisque la seconde est réalisée de manière à tourner facilementsous l’action d’un champ magnétique. La coucheémettrice polarise en spin les électrons, la coucheréceptrice les analyse. La résistance de la jonction évolued’environ 50% entre les configurations parallèle etantiparallèle des aimantations. Ces deux niveaux derésistance permettent de stocker l’information (figure 3).Les jonctions tunnels sont disposées en un réseau carréinterconnecté à la base et au sommet par deux réseauxperpendiculaires de lignes conductrices parallèles.La lecture consiste à faire passer un courant à traversle point mémoire et à mesurer son niveau de résistance.L’écriture se fait par envoi simultané de deux impulsionsde courant dans les deux lignes conductrices quise croisent au niveau du point mémoire à écrire.Ces courants génèrent deux champs magnétiques quis’ajoutent localement et permettent de faire basculerla jonction tunnel dans la configuration magnétiquedésirée (aimantations parallèles ou antiparallèles).L’intensité des courants doit être ajustée pour que seulle point mémoire qui “ressent” la somme des deuxchamps commute. Cette technologie est actuellementla principale développée par plusieurs consortia internationauxdont Motorola/STMicroelectronics/Philipsqui ont réalisé des démonstrateurs de 4 et 16 Mbitet annoncé la production pour 2005. Aux faiblesdensités d’intégration, cette technologie fonctionnebien, mais il est de plus en plus difficile de réaliser despoints mémoires présentant le même champ de retournementde l’aimantation aux petites dimensions,ce qui va rapidement poser des problèmes d’erreursd’écriture. Pour résoudre cette question, le CEAtravaille sur deux nouvelles approches.Écriture assistée thermiquementou renversement d’aimantation par courantpolarisé en spinLa première consiste en une écriture assistée thermiquement.Le principe consiste à faire passer uncourant à travers le point mémoire pendant l’écriture,ce qui a pour effet de l’échauffer par effet Joule.Or, dans les matériaux magnétiques, d’une façongénérale, le champ permettant le renversement del’aimantation diminue avec l’accroissement de latempérature, car l’activation thermique assiste leretournement.Cet échauffement permet donc d’écrirele point adressé avec un champ plus faible et doncmoins de risques de commutation accidentelled’autres points mémoires. Cette technologie a faitl’objet de plusieurs brevets CEA et une jeune entreprise,Crocus Technology, a été créée pour la développer, seproposant à terme de produire des TAS-MRAM(Thermally Assisted Switching-MRAM).La deuxième approche repose sur un phénomènedécouvert très récemment: le renversement d’aimantationinduit par un courant polarisé en spin.Un métalferromagnétique constitue une source d’électronsbjonctions tunnelFigure 3.Principe de fonctionnementd’une MRAM de premièregénération. L’écriture estassurée par l’envoi simultanéde deux impulsions de courantdans les deux lignesconductrices perpendiculaires(ligne de bit et ligne de mot quise croisent au niveau du pointà adresser).CLEFS CEA - N° 52 - ÉTÉ 2005 11

Des nanosciences aux nanotechnologiesBâti de dépôtde couches minces,au CEA/Saclay, àl’intérieur duquel deséléments magnétiques,sous forme métallique,sont chauffés puisfondus sous un videpoussé pour éviterl’oxydation. Leur vapeurvient se condenser surdes substrats monocristallinspour formerune couche minced’épaisseur contrôlableavec une précision del’ordre d’une coucheatomique.A. Gonin/CEApolarisés en spin lorsque ces électrons sont injectésdans un second matériau magnétique au travers d’unecouche non magnétique. L’interaction entre les spinsdes électrons injectés et les spins responsables del’aimantation locale se traduit par un couple qui tendà aligner l’aimantation locale parallèlement à la polarisationen spin du courant injecté. Si la densité decourant polarisé est suffisamment grande, il conduitau basculement de l’aimantation de la couche magnétiquedans un sens ou dans l’autre suivant la directiondu courant injecté. Les chercheurs du CEA ont validécet effet sur un nanopillier métallique de 130 nm dediamètre comprenant deux couches magnétiques decobalt de 4 nm d’épaisseur, l’une de référence, l’autrepouvant commuter, séparées par une couche métalliquede cuivre de 5 nm. En faisant varier le courantà travers la structure, il est possible de changer l’étatde résistance du sandwich et de la faire passer d’unétat de faible résistance (correspondant à un alignementparallèle des aimantations des deux couchesmagnétiques) à un état antiparallèle. Comme dans lecas de l’écriture assistée thermiquement, la sélectivitéà l’écriture est alors parfaite. Toutefois, pour l’instant,les densités de courant requises pour cette commutationpar courant polarisé en spin sont de l’ordre de10 7 A/cm 2 .Ceci est acceptable pour des empilementstout métalliques, mais pas pour des jonctions tunnelsusceptibles de claquage électrique lorsqu’exposées àdes tensions supérieures à 1 V. Différentes pistes sonten cours d’études au CEA,visant à réduire ces densitésde courant critiques pour les rendre compatibles avecl’utilisation de jonctions tunnel.Une autre conséquence très intéressante de l’injectionde courant polarisé en spin dans une nanostructuremagnétique est la possibilité,dans certaines gammes dechamp et de courant,d’exciter des modes de précession(rotation décrivant un cône) de l’aimantation.Dans cesmodes, la précession s’auto-entretient en pompant del’énergie au courant continu de spin. Les fréquences enjeu sont typiquement de 5 à 30 GHz. Si la couche dontl’aimantation “précesse”est associée à une couche magnétiquede référence, la variation d’angle entre les aimantationsdes deux couches produit une variation temporellede résistance, donc de tension, à des fréquences deplusieurs GHz. Ceci ouvre des perspectives d’applicationstrès importantes dans le domaine des composantsradiofréquence (télécommunications), notammentpour la réalisation d’oscillateurs RF.Des surprises sur un plan fondamentalSur un plan fondamental, les phénomènes de magnétorésistanceoffrent encore bien des surprises. Ainsi,des équipes de Saclay et Grenoble ont récemmentapporté une réponse expérimentale claire au problèmedélicat de la contribution des parois magnétiques à larésistance électrique. Une paroi sépare deux régionsd’aimantation opposées dans un matériau, et correspondà la région où l’angle de l’aimantation évoluerapidement (et de manière continue).La question poséeest la suivante: lors du passage du courant, le spin desporteurs de charge (des électrons) suit, de manièreplus ou moins fidèle, la rotation de l’aimantation.Toutefois,un petit angle apparaît qui favorise une plusgrande diffusion des porteurs de charge et génèreainsi une faible résistance supplémentaire, qui n’avaitpu être mise clairement en évidence jusqu’à ce jour.Enisolant quelques parois magnétiques (chacune de 7 nmdomainescourantrésistivité (µ.cm)8,18,068,027,980 0,2 0,4 0,6contactschamp (Tesla)Figure 4.À gauche, image, obtenue en microscopie à force magnétique, de domaines dans une ligne de FePd de 400 nm de large.Les zones claires et sombres correspondent aux domaines magnétiques dont les aimantations respectives pointent vers le hautou le bas de la couche mince (domaines dits “up” et “down”). Le courant électrique est injecté suivant la flèche.Les quatre lignes verticales sont des contacts permettant la mesure de la tension électrique.À droite, évolution de la résistivité électrique sous l’effet d’un champ externe, qui entraîne la disparition successive de domainesmagnétiques, et donc des parois, dans des sauts discrets de résistivité.12CLEFS CEA - N° 52 - ÉTÉ 2005

de large) dans une nanostructure réalisée par lithographieélectronique, puis en les faisant disparaîtresuccessivement sous l’action d’un champ magnétiqueexterne,les chercheurs du CEA ont pu déterminer précisémentleur contribution à la résistivité électrique(figure 4). Cette expérience a apporté un soutien décisifà l’une des théories auparavant proposées. Si l’effetest très faible, des voies peuvent être envisagées pouren tirer un meilleur parti en localisant la paroi magnétiquedans une nanoconstriction, où quelques atomesseulement séparent deux régions d’aimantation opposées.Les résultats publiés dans des géométries adéquatessontencore sujets à controverse, mais des mesurestrès récentes ont montré que la magnétorésistancede ces parois peut alors atteindre 30%. L’amplitudede l’effet obtenu est alors intéressante et permet d’imaginerà terme de nouvelles applications.Des semi-conducteurs magnétiquesBien au-delà des applications actuelles de la spintronique,un vaste champ de recherche est maintenantouvert à la jonction des physiques du magnétisme etdes semi-conducteurs. Celui-ci devrait aboutir à unenouvelle génération de composants électroniques(classiques et quantiques) basés sur la manipulationde la charge et du spin (degré de liberté intrinsèque del’électron). Étape indispensable, l’injection contrôléede spins dans un semi-conducteur peut être réalisée àpartir d’un métal ferromagnétique au travers d’uneforte résistance d’interface ou bien directement à partird’un semi-conducteur ferromagnétique. Ces deuxvoies d’injection présentent des avantages et des difficultésparticulières et sont explorées au CEA.Ainsi, lesmétaux ferromagnétiques sont des sources d’électronspolarisés bien maîtrisées et opérationnelles jusqu’àdes températures élevées. Cependant, l’injection despin depuis ces métaux vers un semi-conducteur posedes problèmes délicats liés à la grande différence desrésistivités électriques des deux matériaux. Pour ladeuxième solution, des semi-conducteurs de type IV(Si, Ge), III-V (GaAs, InAs) ou II-VI (ZnTe, CdTe),intégrables à la micro ou l’opto-électronique, sontdopés par des ions magnétiques comme le manganèse.Ces ions en substitution peuvent interagir par l’intermédiairedes porteurs pour aboutir à un ordre ferromagnétique,mais les températures de mise en ordrerestent très basses, et la recherche d’une phase semiconductrice,ferromagnétiqueà température ambianteconstitue l’un des défis actuels de l’électronique de spin.Le travail récemment réalisé au CEA/Grenoble (en collaborationavec le laboratoire de spectrométrie physiquedu CNRS) sur le contrôle du ferromagnétisme par l’injectionde porteur dans un semi-conducteur permetd’illustrer les progrès actuels.Dans les semi-conducteursmagnétiques tels que GaMnN ou CdMnTe, le ferromagnétismes’explique par l’alignement des spins portéspar les atomes de manganèse sous l’effet d’une interactiond’échange via la polarisation des porteurs de charge(trous) du semi-conducteur (phénomène appelé interactionRKKY).De tels matériaux sont très intéressantscar il est possible d’ajuster leurs propriétés magnétiquesen jouant sur la concentration des porteurs par la simpleapplication d’une tension électrique au dispositif.Pour ce faire,le semi-conducteur magnétique est insérédans une diode, et ses propriétés magnétiques sontdéduites de mesures de photoluminescence (figure 5):sous tension nulle,le système est ferromagnétique avecune température de Curie (2) de 3 K. Au-delà de cette(2) Température de Curie : température (souventimproprement nommée point de Curie) spécifiquede chaque substance, au-dessus de laquelle les matériauxferromagnétiques deviennent paramagnétiques(qui s’aimantent faiblement dans ce même sens).Première jonction tunnelmagnétique submicroniquepour mémoire MRAMréalisée par le laboratoireSpintec (largeur : environ300 nm).Spintecphotoluminescence (u.a.)barrièredopée pnon dopéedopée na4,2 K3,032,802,192,051,87Vpuits quantiquemagnétiquecouche type n1,651.65 1,65- 1V1,49 K1,49 K01690 1700 1710 1700 17102 3 4b énergie (meV)c énergie (meV)d température (K)O V- 1 V0 V - 1 V4,2 K2,972,822,192,051,88aimantation (u.a.)V10couche type pO Vp ~ 3 10 11 cm -2E Fp ~ 0T c ~3 KH. BOUKARI et al., Phys. Rev. Lett. 88, 207204 (2002)Figure 5.Contrôle des propriétésmagnétiques d’un puitsquantique de CdMnTe parajustement des populationsde porteurs. Le puitsquantique (a) est inséré dansune diode p-i-n, en référenceau dopage des couches desemi-conducteur : p : positif,n: négatif, i : intrinsèque(absence de dopage) quipermet d’appliquer unetension et de modifier lesconcentrations de porteurs(trous). En b, la séparation dela raie de photoluminescenceobservée en champ nul révèleune aimantation spontanéequi apparaît à bassetempérature, l’alignementdes spins des atomes demanganèse étant permispar l’interaction transmisepar les porteurs de charge.En c, le système dépourvu deses porteurs par une tensionde – 1 V reste dans l’étatparamagnétique.En d, l’aimantation enfonction de la température,sous tension nulle et sous 1 V.CLEFS CEA - N° 52 - ÉTÉ 2005 13

Des nanosciences aux nanotechnologiesFigure 5.Gros plan sur le dispositif(le porte-échantillona un diamètre de 4 cm)de mesure de résonanceferromagnétique dans unmicroscope en champproche, au CEA/Saclay,avant sa mise en cryostat(4,2 K dans l’héliumliquide). La résonanceferromagnétiqueest observée lorsquel’aimantation d’unmatériau se metà précesser sous l’effetd’un champ magnétiqueradiofréquence.Cet appareil permetde mesurer des signauxextrêmement petitsqui proviennentde nanostructuresmagnétiques.température, l’agitation thermique détruit l’alignementlocal des spins qui caractérise un matériau ferromagnétiqueen créant une aimantation non nulle parunité de volume. Pour la première fois, les équipes duCEA ont montré que cette propriété essentielle peutêtre contrôlée électriquement: la température de Curieest abaissée à 1,5 K sous une tension modeste de 1 volt.Certes, le chemin est encore long vers des applicationspratiques. Cependant, si cette propriété uniquepouvait être obtenue à température ambiante, deA. Gonin/CEAnombreuses d’entre elles deviendraient possibles,comme des mémoires magnétiques où le renversementd’aimantation serait assisté par l’applicationde tensions faibles.Un potentiel extraordinaireDans ces domaines du nanomagnétisme,de la magnétoélectroniqueet de la spintronique,en profonde mutation,le CEA poursuit ses programmes avec la doubleambition de contribuer à l’avancée des connaissanceset de les transférer vers les applications. Au-delà del’avènement de générations de mémoires MRAMrendues plus compétitives par l’introduction de nouvellestechnologies et du développement de nouveauxmatériaux semi-conducteurs magnétiques, d’autresapplications se dessinent dans le domaine du calcullogique et des composants radiofréquence.En ce qui concerne les médias magnétiques, la recherchesur les médias discrets se poursuit, non seulementavec l’exploration de voies nouvelles mettant en œuvredes processus de lithographie décrits plus haut, maisaussi de processus d’auto-organisation de particulespréparées par des synthèses dites de chimie douce(en solution). Ces efforts sont soutenus par des étudesà caractère plus fondamental sur les mécanismes deretournement de l’aimantation dans des particules dedimensions nanométriques. Discipline fortementimplantée en France et plus particulièrement à Grenoblepar Louis Néel, prix Nobel de physique et premierdirecteur du centre CEA de cette ville, le magnétismeouvre ainsi aujourd’hui de nouvelles perspectives dedécouvertes et d’applications, nées de l’extraordinairepotentiel de découvertes très récentes.> Bernard Diény*, Yves Samson*et Michel Viret**Direction des sciences de la matièreCEA centres de Grenoble* et de Saclay**La nanoélectroniquene peut être que quantiqueCe n’est que dans le cadre quantique qu’une réponse a pu être apportée à la questionde savoir pourquoi un matériau est isolant, conducteur ou semi-conducteur. C’est parune approche quantique fine que pourront être décrits et maîtrisés les phénomènesélectroniques dans des conducteurs de taille nanométrique.Notre compréhension de la conduction électriquedans les solides est aujourd’hui essentiellementquantique.Le courant est porté par les électrons quisont des fermions.Pourquoi tel matériau est isolant,conducteur ou semi-conducteur, est une question quin’a pu recevoir de réponse que dans ce cadre quantique,au milieu du siècle dernier.Mais une fois les propriétés microscopiques posées,notre compréhension du transport électronique dansles conducteurs a longtemps reposé sur l’idée que lesélectrons réagissaient classiquement aux potentielsélectriques. La phase de la fonction d’onde électroniquene joue pas de rôle particulier et la variable decharge électronique d’un ensemble d’électrons ne donnepas lieu à des manifestations de sa quantification,c’està-direde son caractère quantique. Dans cette approche,bien adaptée à la description de la plupart desconducteurs macroscopiques, il ne reste plus rien de lanature quantique des électrons, ni leur statistiquefermionique, ni la quantification de la charge, ni doncla phase de l’onde associée.En revanche,la descriptiondes phénomènes de conduction dans des conducteursde petite taille exige une approche quantique plus fine.Conséquences de la quantificationCurieusement, si les bases théoriques étaient en placedepuis longtemps, c’est seulement au cours des deuxdernières décennies que les physiciens ont obtenu unedescription totalement quantique de la conduction,faisantle pont entre les échelles microscopique (atomique)et macroscopique. L’accès aux techniques de micro-14CLEFS CEA - N° 52 - ÉTÉ 2005

puis de nanotechnologie a en effet favorisé les progrèsconceptuels, par de nombreux allers et retours entremodélisation et expérience. Inversement, les besoinsexpérimentaux pour observer et manipuler des objetstoujours plus petits et élaborer des conducteurs toujoursplus purs ont suscité de nouveaux outils d’observationet de nouveaux matériaux. Comme on pouvaits’y attendre, l’entrée des conducteurs dans l’ère quantiquea apporté de nouvelles quantifications qui ont eud’importants retentissements en métrologie: l’ohm aainsi été détrôné au profit du quantum de résistance,le Klitzing (1) , défini comme le rapport de la constantede Planck h au carré de la charge de l’électron e. Laquantification de la charge d’un petit circuit autorisantla manipulation d’électrons uniques a permis de reliercourant et fréquence. Mais le plus remarquable estl’universalité de la description quantique obtenue, quis’applique aussi bien aux métaux, aux couches bidimensionnellesd’électrons utilisées dans les transistors,qu’à l’électronique de spin ou à l’électronique moléculaire.Ces matériaux, d’aujourd’hui ou de demain,peuvent voir leur conductance modulée par des effetsd’interférences orbitaux ou de spin,ou par des effets dequantification de la charge. De plus, ils conduisent lecourant de façon peu “bruyante”en temps en vertu duprincipe de Pauli qui régule le flot des électrons.Trois briques de base des conducteursquantiquesTrois briques de base des conducteurs quantiques serontpassées en revue ici: le contact ponctuel, l’interféromètreélectronique et la boîte quantique. Ils illustrentrespectivement les concepts clés suivants: la quantificationde la conductance, les interférences à un électronet la quantification des états électroniques et de la charge.La description d’un conducteur quantique est simple.À un électron est associée une onde de probabilité.Celle-ci est répartie entre plusieurs modes électroniquesqui résultent du confinement de l’électron par le matériauqui agit comme un guide d’onde.La conductanceest alors la somme des coefficients de transmissiondes modes électroniques multiplié par le quantum deconductance e 2 /h (relation de Landauer).Pour décrire la conduction, les contacts sont dissociésdu conducteur, pris en “sandwich” entre eux. Ils(1) Klitzing : du nom du découvreur de l’effet Hall quantiquequi apparaît dans les conducteurs bidimensionnels en fortchamp magnétique.GaAlAsGaAsVgrille (V g )couche d’électronsVg100 nmIconductance (2e 2 /h)3210comprennent un grand nombre d’électrons qu’ilsabsorbent ou émettent, comme le ferait en optique uncorps noir avec des ondes lumineuses. Ce n’est jamaisle même électron qui est absorbé puis réémis.La phasede l’électron émis est aléatoire. C’est l’image qu’on sefait d’un conducteur classique. Au contraire, dans leconducteur quantique, il n’y a pas de relaxation de laphase de l’onde électronique. Un électron émis par lecontact de gauche dans un mode électronique seraabsorbé dans le contact de droite avec une probabilitédonnée par le coefficient de transmission du mode.Plus nombreux sont les modes électroniques et meilleureest leur transmission: plus le conducteur conduit. Lequantum de conductance s’obtient en remarquant quesi le contact de gauche est porté à une énergie eV audessusde celui de droite, seuls les électrons dans cettetranche d’énergie trouveront des états libres à droiteet participeront donc au courant. Par la relationd’incertitude temps-énergie, les électrons émis de lagauche ne peuvent se succéder qu’à la fréquence eV/h.Pour un mode de transmission unité, le courant estalors e 2 V/h. Du rapport du courant sur la tension, ontire le quantum de conductance e 2 /h.Le contact ponctuel : quantificationde la conductanceIl est possible de réaliser par nanolithographieélectronique un guide d’onde à électrons sans défautsformant une constriction de longueur submicroniqueet de largeur comparable à la longueur d’onde desélectrons (figure 1). Quand la largeur de ce contactponctuel est bien inférieure à celle-ci, aucun modeélectronique n’est transmis car les ondes sont évanescentesdans la constriction. On a une barrière tunnelde conductance très inférieure au quantum de conductance.Quandla largeur vaut une demi-longueur d’ondeélectronique, un premier mode est transmis, tandisque les autres sont encore réfléchis. La conductanceprésente alors un palier de valeur égale au quantumde conductance.Quand la constriction s’élargit encore,un second mode est transmis puis un troisième, etc.,chacun signalé par un plateau multiple du quantumde conductance. L’effet peut être démontré avec desconducteurs bidimensionnels semblables à ceux utiliséspour les transistors à haute mobilité électronique.Par effet de champ, une grille fait varier continûmentla constriction (figure 1). Le phénomène a été ensuiteobservé avec des contacts ponctuels atomiques. Larelation de Landauer, qui relie conductance et transmission,est donc vérifiée à toute échelle.- 50 0 50 100V g (mV)Figure 1.Contact ponctuel : l’effet dechamp de deux grillesdéfinies par nanolithographieet évaporées au-dessus dela surface d’un conducteurcontenant une couched’électrons permet de définirune constriction de largeurvariable. La conductancemesure la transmissiondes modes électroniques,chacun avec deuxorientations de spin.Ici, en variant la tension,de zéro à trois modes sonttransmis. Leur transmissioncomplète est signalée parun plateau de conductance,multiple entier du quantumde conductance 2e 2 /h (dontla valeur est ici doublée parla dégénérescence de spin).CLEFS CEA - N° 52 - ÉTÉ 2005 15

Des nanosciences aux nanotechnologiesA 2 , GA 2heφ M B = rot (A)∆φ = eA dr = e φ MFigure 2.L’effet Aharanov-Bohm : en présence d’un champ magnétique B, donc du potentielvecteur A, les fonctions d’ondes dans les deux bras de la boucle accumulent unedifférence de phase ∆φ. L’amplitude transmise et la conductance varient périodiquementavec le flux magnétique Φ M .AA 2 /4 1 + e i∆φ 2L’effet Aharanov-Bohm :interférences à un électronLa conductance d’un conducteur peut être moduléepar des effets d’interférence. Si l’onde électronique estdivisée pour suivre deux chemins différents puisrrecombinée,les amplitudes de probabilité des cheminss’ajoutent. Si les phases associées sont égales modulo2π la transmission, qui est le carré de l’amplitude, estrenforcée.Si elles diffèrent de π,elle s’annule.Un conducteuren forme d’anneau placé entre deux contacts réaliseainsi l’analogue des trous d’Young en optique. Unchamp magnétique perpendiculaire est appliqué àl’anneau pour faire varier la différence de phases entrechemins. Celle-ci dépend du flux du champ magnétiqueà travers l’anneau (effet Aharanov-Bohm,figure 2).La conductance est alors modulée avec une périodeégale au quantum de flux magnétique h/e.La boîte quantique : quantification de la chargeLes effets d’interférence pilotent aussi la conductanced’un petit îlot de quelques dizaines à quelques centainesd’électrons relié à deux contacts par des barrièrestunnel (boîte quantique). Un électron injecté par uncontact effectue dans l’îlot de multiples réflexions avantd’atteindre l’autre contact. Quand la phase accumuléeentre deux réflexions est multiple de 2π,les amplitudess’ajoutent: il y a résonance de transmission, commedans un interféromètre de Fabry-Pérot optique.Autrement dit, l’observation des pics de conductanceassociés permet la spectroscopie tunnel des états électroniques.Comme dans un atome, le confinementBQuelques repères de physique quantiqueLa physique quantique (historiquementdénommée mécanique quantique)est l’ensemble des lois physiquesqui s’appliquent à l’échelle microscopique.Fondamentalement différentesde la plupart de celles qui semblents’appliquer à notre propre échelle, ellesn’en constituent pas moins le socle globalde la physique à toutes ses échelles.Mais à l’échelle macroscopique, sesmanifestations ne nous apparaissentpas étranges, à l’exception d’un certainnombre de phénomènes a prioricurieux, comme la supraconductivitéou la superfluidité , qui justement nes’expliquent que par les lois de laphysique quantique. Au demeurant, lepassage du domaine de validité des loisparadoxales de cette physique à celuides lois, plus simples à imaginer, de laphysique classique peut s‘expliquerd’une façon très générale, comme celasera évoqué plus loin.La physique quantique tire son nomd’une caractéristique essentielle desobjets quantiques: des caractéristiquescomme le moment angulaire (spin) desparticules sont des quantités discrètesou discontinues appelées quanta, quine peuvent prendre que des valeursmultiples d’un quantum élémentaire. Ilexiste de même un quantum d’action(produit d’une énergie par une durée)“Vue d’artiste” de l’équation de Schrödinger.appelé constante de Planck (h), dont lavaleur est de 6,626·10 -34 joule·seconde.Alors que la physique classique distingueondes et corpuscules, la physiquequantique englobe en quelque sorte cesdeux concepts dans un troisième, quidépasse la simple dualité onde-corpusculeentrevue par Louis de Broglie,et qui, quand nous tentons de l’appréhender,semble tantôt proche du premieret tantôt du deuxième. L’objet quantiqueconstitue une entité inséparablede ses conditions d’observation, sansattribut propre. Et cela, qu’il s’agissed’une particule – en aucun cas assimilableà une bille minuscule qui suivraitune quelconque trajectoire – de lumière(photon) ou de matière (électron, proton,neutron, atome…).Cette caractéristique donne toute sa forceau principe d’incertitude d’Heisenberg,autre base de la physique quantique.Selon ce principe (d’indéterminationplutôt que d’incertitude), il est impossiblede définir avec précision à un instantdonné à la fois la position d’une particuleet sa vitesse. La mesure, qui restepossible, n’aura jamais une précisionmeilleure que h, la constante de Planck.Ces grandeurs n’ayant pas de réalitéintrinsèque en dehors du processusd’observation, cette déterminationsimultanée de la position et de la vitesseest simplement impossible.D. Sarraute/CEA16CLEFS CEA - N° 52 - ÉTÉ 2005

oîte quantiqueconductanceN N + 1 N + 2 N + 3 … électronsFigure 3.Une boîte quantique(au centre de l’image) est unpetit îlot d’électrons dediamètre submicronique,séparé des contacts par unebarrière tunnel. Saconductance montre des picsen fonction de la tensiond’une grille placée àproximité (ici la grillecentrale) qui signale l’entréed’un nouvel électrondans l’îlot.5000 nmtension de l’électrodedes électrons donne des niveaux d’énergie discrets :quand l’énergie de l’électron injecté par les contactscoïncide avec l’un de ces niveaux, la conductance estmaximale. Pratiquement, pour changer les niveauxd’énergie, un potentiel est appliqué sur une électrodevoisine (figure 3).On pourrait s’attendre à ce que lacharge de l’îlot varie continûment comme si l’électrodeet l’îlot formaient les deux armatures d’une capacitémacroscopique. Mais, hors résonance, l’îlot échangedifficilement un électron avec les contacts: sa chargeest quantifiée. La charge varie alors par saut de e aupassage de chaque résonance de transmission. Celacorrespond à l’occupation d’un nouvel état accessible.La quantification de la charge est aussi renforcée parl’énergie de Coulomb (ou d’ionisation) qui est l’énergiecapacitive à “payer” pour extraire ou additionnerC’est qu’à tout instant l’objet quantiqueprésente la caractéristique de superposerplusieurs états, comme une onde peutêtre le résultat de l’addition de plusieursautres. Dans le domaine quantique, lahauteur d’une onde (assimilable à celled’une vague par exemple) a pour équivalentune amplitude de probabilité (ouonde de probabilité), nombre complexeassocié à chacun des états possibles d’unsystème qualifié ainsi de quantique.Mathématiquement, un état physiqued’un tel système est représenté par unvecteur d’état, fonction qui, en vertu duprincipe de superposition, peut s’ajouterà d’autres. Autrement dit, la somme dedeux vecteurs d’état possibles d’un systèmeest aussi un vecteur d’état possibledu système. De plus, le produit de deuxespaces vectoriels est aussi la sommede produits de vecteurs, ce qui traduitl’intrication: un vecteur d’état étant généralementétalé dans l’espace, l’idée delocalité des objets ne va plus de soi. Dansune paire de particules intriquées, c’està-direcréées ensemble ou ayant déjàinteragi l’une sur l’autre, décrite par leproduit et non par la somme de deux vecteursd’état individuels, le destin de chacuneest lié à celui de l’autre, quelle quesoit la distance qui pourra les séparer.Cette caractéristique, également appeléel’enchevêtrement quantique d’états, ades implications vertigineuses, sansparler des applications imaginables, dela cryptographie quantique à – pourquoine pas rêver? – la téléportation.Dès lors, la possibilité de prévoir le comportementd’un système quantique n’estqu’une prédictibilité probabiliste et statistique.L’objet quantique est en quelquesorte une “juxtaposition de possibles”.Tant que la mesure sur lui n’est pas faite,la grandeur censée quantifier la propriétéphysique recherchée n’est passtrictement définie. Mais dès que cettemesure est engagée, elle détruit lasuperposition quantique, par réductiondu paquet d’ondes, comme WernerHeisenberg l’énonçait en 1927.Toutes les propriétés d’un système quantiquepeuvent être déduites à partir del’équation proposée l’année précédentepar Erwin Schrödinger. La résolution decette équation de Schrödinger permetde déterminer l’énergie du système ainsique la fonction d’onde, notion qui a donctendance à être remplacée par celled’amplitude de probabilité.Selon un autre grand principe de la physiquequantique, le principe (d’exclusion)de Pauli, deux particules identiquesde spin 5 (c’est-à-dire des fermions, enparticulier les électrons) ne peuvent avoirà la fois la même position, le même spinet la même vitesse (dans les limitesposées par le principe d’incertitude),c’est-à-dire se trouver dans le mêmeétat quantique. Les bosons (en particulierles photons), ne suivent pas ce principeet peuvent se trouver dans le même étatquantique.La coexistence des états superposésdonne sa cohérence au système quantique.Dès lors, la théorie de la décohérencequantique peut expliquer pourquoiles objets macroscopiques ont uncomportement “classique” tandis queles objets microscopiques, atomes etautres particules, ont un comportementquantique. Plus sûrement encore qu’undispositif de mesure pointu, “l’environnement”(l’air, le rayonnement ambiant,etc.) exerce son influence, éliminantradicalement toutes les superpositionsd’état à cette échelle. Plus le systèmeconsidéré est gros, plus il est en effetcouplé à un grand nombre de degrés deliberté de cet environnement. Et doncmoins il a de “chances” – pour resterdans la logique probabiliste – de sauvegarderune quelconque cohérencequantique.POUR EN SAVOIR PLUSÉtienne KLEIN, Petit voyagedans le monde des quanta, Champs,Flammarion, 2004.CLEFS CEA - N° 52 - ÉTÉ 2005 17

Des nanosciences aux nanotechnologiesun électron. Ce dernier effet, plus robuste, subsistemême à haute température, quand l’espacement entreniveaux d’énergie devient plus petit que l’énergie associéeaux transferts thermiques.Des conducteurs sans bruit : le silencedes électronsbruit de grenaille100 1 2conductance (2e 2 /h)Figure 4.“Bruit de grenaille” du courant normalisé au bruit de Schottkypour différentes valeurs de la conductance d’un contactponctuel. Le bruit, en général très réduit, va même jusqu’às’annuler quand un nombre entier de modes est parfaitementtransmis, c’est-à-dire quand la conductance est multiple duquantum de conductance (doublé par dégénérescence de spin).Un bon conducteur doit transmettre un courant en yajoutant le minimum de fluctuations. Or, la chargeétant discrète et le nombre d’électrons traversant leconducteur pendant un temps défini une donnéeprobabiliste, il en résulte un incontournable “bruitde grenaille” du courant. Pour les conducteurs quantiques,ce bruit est très faible, voire nul (figure 4). Eneffet, un contact injecte les électrons régulièrement à lafréquence eV/h. Les fluctuations proviennent alors duseul caractère probabiliste quantique de passage desélectrons.La loi de probabilité est binomiale:un électronest transmis ou réfléchi.La variance du courant est proportionnelleau produit de la transmission par laréflexion. Si la transmission est faible, le bruit est faiblemais le courant I aussi: le bruit est donné par la loi deSchottky (S I =2eI où S I est la puissance de bruit par unitéde fréquence et I la valeur moyenne de l’intensité) observéepour les barrières tunnel ou les diodes à semiconducteurs.Sila transmission approche l’unité,le courantest important, mais le bruit s’annule comme laréflexion. L’annulation du bruit est observée dans uncontact ponctuel. Pour un conducteur quelconque, ontrouve que le bruit est trois à quatre fois plus petit quele bruit de Schottky.Bien qu’observés au départ dans des systèmes modèlesà basse température,les effets décrits plus haut sont observablesmaintenant à température ambiante sur deséchelles atomiques. En effet, si l’échelle de longueur audelàde laquelle les électrons perdent leur cohérencequantique par interaction avec un environnement macroscopiqueest micrométrique à basse température, elleest encore de l’ordre de la dizaine de nanomètres pourla plupart des matériaux à température ambiante.À cetteéchelle nanométrique, désormais accessible à l’expérimentation,l’électronique ne peut être que quantique!> Denis-Christian Glattli* et Marc Sanquer**Direction des sciences de la matièreCEA centres de Saclay* et de Grenoble**18CLEFS CEA - N° 52 - ÉTÉ 2005

ADu monde macroscopique au nanomonde, ou l’inverse…Afin de se représenter plus aisémentles dimensions des objetsmicro et nanoscopiques*, il est pratiquede procéder à des comparaisonset courant de faire correspondre différenteséchelles, par exemple celle dumonde du vivant, de la molécule àl’homme, et celle des objets manipulésou fabriqués par lui (figure). Cettecorrespondance entre “artificiel” et“naturel” permet, par exemple, de voirque des nanoparticules fabriquéesartificiellement sont plus petites quedes globules rouges.Un autre mérite de cette juxtapositionest d’illustrer les deux grandes façons*Du grec nano qui signifie “tout petit”et est utilisé comme préfixe pour désignerle milliardième (10 -9 ) d’une unité. Enl’occurrence, le nanomètre (1 nm = 10 -9 m,soit un milliardième de mètre) est l’unitéreine du monde des nanosciences et desnanotechnologies.Tranche de silicium de 300 mm réalisée par l’Alliance Crolles2, illustration de la démarchetop-down actuelle de la microélectronique.Artechniqued’élaborer des objets ou des systèmesnanométriques : la voie descendante(top-down) et la voie ascendante(bottom-up). Deux chemins mènent eneffet au nanomonde : la fabricationmoléculaire, qui passe par la manipulationd’atomes individuels et laconstruction à partir de la base, etl’ultraminiaturisation, qui produit dessystèmes de plus en plus petits.La voie descendante est celle du mondeartificiel, qui part de matériaux macroscopiques,ciselés par la main del’homme puis par ses instruments: c’estelle qu’a empruntée l’électroniquedepuis plusieurs dizaines d’années,principalement avec le silicium commesubstrat, et ses “tranches” (wafers)comme entités manipulables. C’estd’ailleurs la microélectronique qui alargement contribué à donner à cettevoie le nom anglais sous laquelle elleest connue. Mais il ne s’agit plus seulementd’adapter la miniaturisation dela filière silicium actuelle, mais ausside prendre en compte, pour s’en prémunirou les utiliser, les phénomènesphysiques, quantiques en particulier,qui apparaissent aux faibles dimensions.La voie ascendante peut permettre depasser outre ces limites physiques etaussi de réduire les coûts de fabrication,en utilisant notamment l’autoassemblagedes composants. C’est elleque suit la vie en pratiquant l’assemblagede molécules pour créer des protéines,enchaînement d’acides aminésque des super-molécules, les acidesnucléiques (ADN, ARN), savent faire produireau sein de cellules pour formerdes organismes, les faire fonctionner etse reproduire tout en se complexifiant.Cette voie, dite “bottom-up”, vise à organiserla matière à partir de “briques debase”, dont les atomes eux-mêmes sontles plus petits constituants, à l’instardu monde vivant. La nanoélectroniquedu futur cherche à emprunter cette voied’assemblage pour aboutir à moindrecoût à la fabrication d’éléments fonctionnels.Les nanosciences peuvent ainsi êtredéfinies comme l’ensemble des recherchesvisant à la compréhension despropriétés (physiques, chimiques etbiologiques) des nano-objets ainsiqu’à leur fabrication et à leur assemblagepar auto-organisation.Les nanotechnologies regroupent l’ensembledes savoir-faire qui permettentde travailler à l’échelle moléculairepour organiser la matière afin deréaliser ces objets et matériaux, éventuellementjusqu’à l’échelle macroscopique.

A(Suite)mondevivantmoléculequelques ÅCEAADN3,4 nmM. Freeman/Photolinkvirus0,1 µmGeostockglobule rouge5µmD. R.cheveu 50 µm(diamètre)grain de pollen10 µm à 20 µmE. Pollard/PhotolinkIBM Researchpuce1mmE. Pollard/Photolinkfourmi1cmFrédéric Balleneggerpapillon5cmPat Powers and Cherryl Schaferhomme2mS. Wanke/Photolinkvoieascendante“bottom-up”0,1 nm1 nm10 nm 100 nm 1µm 10 µm 100 µm 1mm 1cm 10 cm 1mnanomonde10 -10 m 10 -9 m 10 -8 m 10 -7 m 10 -6 m 10 -5 m 10 -4 m 10 -3 m 10 -2 m 10 -1 mvoiedescendante“top-down”atome1 nmboîte quantique5 nmA. Ponchet, CNRS/CEMESnanoparticule10 nmnanotransistor20 nmCEA/DRFMC/J.-M. PénissonCEA-Letitransistor“Cooper”1µminterconnexionsde circuit intégré1-10 µmCEA-LetiCEA-Letimicrosystème10-100 µmTronicsArtechnique/CEApuce de carte1cmtéléphoneportable 10 cmD. Michon-Artechnique/CEAvéhiculeindividuel 2 mPSA-Peugeot Citroënmondeartificiel

DLe transistor, composant de base des circuits intégrésEn décembre 1947, John Bardeenet Walter H. Brattain réalisaient lepremier transistor en germanium.Avec William B. Shockley, aux BellLaboratories, ils développaient l’annéesuivante le transistor à jonction et lathéorie associée. Au milieu des années1950, les transistors seront réalisés ensilicium (Si), qui reste aujourd’hui lesemi-conducteur généralement utilisé,vu la qualité inégalée de l’interface crééepar le silicium et l’oxyde de silicium (SiO 2 ),qui sert d’isolant.commutateurtransistorvue en coupeL g =longueur de grillesourcesourcesourceisolementgrille de commandegrillegrillecanalsubstrat Sidraindrainisolant de grilleFigure.Un transistor MOS est un commutateur qui permet de commander le passage d’un courantélectrique de la source (S) vers le drain (D) à l’aide d’une grille (G) isolée électriquementdu canal de conduction. Le substrat en silicium est noté B (pour Bulk).L gisolementdrainEn 1958, Jack Kilby invente le circuitintégré en fabriquant cinq composantssur le même substrat. Les années 1970verront le premier microprocesseur d’Intel(2250 transistors) et les premières mémoires.La complexité des circuits intégrésne cessera de croître exponentiellementdepuis (doublement tous les deux-troisans, selon la “loi de Moore”) grâce à laminiaturisation des transistors.Le transistor (de l’anglais transfer resistor,résistancede transfert), composantde base des circuits intégrés microélectroniques,le restera mutatis mutandisà l’échelle de la nanoélectronique:adapté également à l’amplification,entre autres fonctions, il assume eneffet une fonction basique essentielle:laisser passer un courant ou l’interrompreà la demande, à la manière d’uncommutateur (figure). Son principe debase s’applique donc directement autraitement du langage binaire (0, le courantne passe pas; 1, il passe) dans descircuits logiques (inverseurs, portes,additionneurs, cellules mémoire).Le transistor, fondé sur le transport desélectrons dans un solide et non plusdans le vide comme dans les tubesélectroniques des anciennes triodes,est composé de trois électrodes (anode,cathode et grille) dont deux servent deréservoirs à électrons: la source, équivalentdu filament émetteur du tubeélectronique, le drain, équivalent de laplaque collectrice, et la grille, le “contrôleur”.Ces éléments ne fonctionnent pasde la même manière dans les deuxprincipaux types de transistors utilisésaujourd’hui, les transistors bipolaires àjonction, qui ont été les premiers à êtreutilisés, et les transistors à effet de champ(en anglais FET, Field Effect Transistor).Les transistors bipolaires mettent enœuvre les deux types de porteurs decharge, les électrons (charges négatives)et les trous (charges positives), etse composent de deux parties de substratsemi-conducteur identiquement

D (Suite)dopées (p ou n), séparées par une mincecouche de semi-conducteur inversementdopée. L’assemblage de deux semiconducteursde types opposés (jonctionp-n) permet de ne faire passer le courantque dans un sens. Qu’ils soient de typen-p-n ou p-n-p, les transistors bipolairessont fondamentalement des amplificateursde courant, commandés par uncourant de grille (1) : ainsi dans un transistorn-p-n, la tension appliquée à la partiep contrôle le passage du courant entreles deux régions n. Les circuits logiquesutilisant des transistors bipolaires, appelésTTL (Transistor Transistor Logic), sontplus consommateurs de courant que lestransistors à effet de champ, qui présententun courant de grille nul en régimestatique et sont commandés par l’applicationd’une tension.Ce sont ces derniers, sous la forme MOS(Métal oxyde semi-conducteur), quicomposent aujourd’hui la plupart descircuits logiques du type CMOS (C pourcomplémentaire) (2) . Sur un cristal desilicium de type p, deux régions de typen sont créées par dopage de la surface.Appelées là aussi source et drain, cesdeux régions ne sont donc séparées quepar un petit espace de type p, le canal.Sous l’effet d‘une tension positive surune électrode de commande placéeau-dessus du semi-conducteur et quiporte tout naturellement le nom de grille,les trous sont repoussés de sa surfaceoù viennent s’accumuler les quelquesélectrons du semi-conducteur. Un petitcanal de conduction peut ainsi se formerentre la source et le drain (figure).Lorsqu’une tension négative est appliquéesur la grille, isolée électriquementpar une couche d’oxyde, les électronssont repoussés hors du canal. Plus latension positive est élevée, plus larésistance du canal diminue et plus cedernier laisse passer de courant.Dans un circuit intégré, les transistors etles autres composants (diodes, condensateurs,résistances) sont d’origine incorporésau sein d’une “puce” aux fonctionsplus ou moins complexes. Le circuit estconstitué d’un empilement de couchesde matériaux conducteurs ou isolantsdélimitées par lithographie (encadré E,La lithographie clé de la miniaturisation,p. 37). L’exemple le plus emblématiqueest le microprocesseur placé au cœurdes ordinateurs et qui regroupe plusieurscentaines de millions de transistors (dontla taille a été réduite par 10000 depuisles années 1960) et bientôt un milliard,ce qui amène les industriels à fractionnerle cœur des processeurs en plusieurssous-unités travaillant en parallèle!Le tout premier transistor.Transistor 8 nanomètres développépar l’Alliance Crolles2 réunissantSTMicroelectrronics, Philips et FreescaleSemiconductor.STMicroelectronicsLucent Technologies Inc./Bell Labs(1) Figurent dans cette catégorie les transistors de type Schottky ou à barrière Schottky qui sont des transistors à effet de champ comportant unegrille de commande de type métal/semi-conducteur qui améliore la mobilité des porteurs de charge et le temps de réponse au prix d’une plus grandecomplexité.(2) On parle alors de transistor MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

ELa lithographie, clé de la miniaturisationLa lithographie optique (ouphotolithographie), applicationmajeure de l’interactionparticules/matière, est le procédétraditionnel de fabrication descircuits intégrés. Étape clé de ladéfinition des motifs de ces circuits,elle reste le verrou de leurdéveloppement. La résolutionétant en première approximationdirectement proportionnelle à lalongueur d’onde, la finesse desmotifs a d’abord progressé avecla diminution, qui s’est effectuéepar sauts, de la longueur d’onde λdu rayonnement utilisé.L’opération consiste en l’expositionvia une optique réductrice d’une résinephotosensible à des particules énergétiques,depuis les photons ultraviolet (UV)actuellement utilisés jusqu’aux électronsen passant par les photons X et les ions,au travers d’un masque représentant ledessin d’un circuit. Le but ? Transférercette image sur l’empilement de couchesisolantes ou conductrices qui le constitueront,déposées précédemment (phasede couchage) sur une plaquette (wafer)de matériau semi-conducteur, en généralde silicium. Ce processus est suivi de ladissolution de la résine exposée à lalumière (développement). Les partiesexposées de la couche initiale peuventêtre alors gravées sélectivement, puis larésine est retirée chimiquement avant ledépôt de la couche suivante. Cette étapede lithographie peut intervenir plus d’unevingtaine de fois au cours de la fabricationd’un circuit intégré (figure).Dans les années 1980, l’industrie de lamicroélectronique utilisait des lampes àmercure délivrant dans l’UV proche (raiesg, h, i), à travers des optiques en quartz,un rayonnement d’une longueur d’ondede 436 nanomètres (nm). Elle gravait ainsides structures d’une largeur de trait de3 microns (µm). Employées jusqu’au milieudes années 1990, ces lampes ont étéremplacées par des lasers à excimèresémettant dans l’UV lointain (krypton-fluorKrF à 248 nm, puis argon-fluor ArF à193 nm, les photons créés ayant une énergiede quelques électronvolts), permettantd’atteindre des résolutions de 110 nm,et même inférieures à 90 nm avec denouveaux procédés.Le Laboratoire d’électronique et de technologiede l’information (Leti) du CEA aété un des pionniers, dans les années1980, dans l’utilisation des lasers enZone de photolithographie en salle blanche dans l’usineSTMicroelectronics de Crolles (Isère).lithographie et dans la réalisation descircuits intégrés par les lasers à excimères,qui constituent aujourd’hui lessources employées pour la productiondes circuits intégrés les plus avancés.Pour l’industrie, l’étape suivante devait êtrele laser F 2 (λ = 157 nm), mais cette lithographiea été quasiment abandonnée faceà la difficulté de réaliser des optiquesen CaF 2 , matériau transparent à cettelongueur d’onde.Si la diminution de la longueur d’onde desoutils d’exposition a été le premier facteurà permettre le gain en résolution considérabledéjà obtenu, deux autres ont étédéterminants. Le premier a été la mise aupoint de résines photosensibles baséessur des matrices de polymères peu absorbantesaux longueurs d’onde utilisées etmettant en œuvre des mécanismes dedépôt d’unenouvelle coucheretrait résineétalementde la résinegravurepropagation de l’énergie reçuetoujours plus innovants. Lesecond a consisté en l’améliorationdes optiques avec une diminutiondes phénomènes parasitesliés à la diffraction (meilleure qualitéde surface, augmentation del’ouverture numérique).Au fil des années, la complexitéaccrue des systèmes optiquesa ainsi permis d’obtenir des résolutionsinférieures à la longueurd’onde de la source. Cette évolutionne pourra se poursuivresans une rupture technologiquemajeure, un saut important enlongueur d’onde. Pour les générationsdes circuits intégrés dont la résolutionminimale est comprise entre 80 et50 nm (le prochain “nœud” se situant à 65nm), différentes voies basées sur laprojection de particules à la longueurd’onde de plus en plus courte ont été misesen concurrence. Elles mettent respectivementen œuvre des rayons X “mous”,en extrême ultraviolet (dans la gammedes 10 nm), des rayons X “durs” (à la longueurd’onde inférieure à 1 nm), des ionsou des électrons.L’étape consistant à atteindre des résolutionsinférieures à 50 nm conduira às’orienter plutôt vers la nanolithographieà l’aide d’électrons de basse énergie(10 eV) et d’outils plus adaptés comme lemicroscope à effet tunnel ou l’épitaxiepar jets moléculaires (encadré C) pour laréalisation de “super-réseaux”.centrifugationséchageFigure. Les différentes phases du processus de lithographie dont le but est de délimiter les couchesde matériaux conducteurs ou isolants qui constituent un circuit intégré. Cette opération estl’enchaînement d’un étalement de résine photosensible, de la projection du dessin d’un masque parune optique réductrice, suivis de la dissolution de la résine exposée à la lumière (développement).Les parties exposées de la couche initiale peuvent être alors gravées sélectivement, puis la résineest retirée avant le dépôt de la couche suivante.Artechniquesourcedéveloppementmasqueoptiquede projectionexposition pas à pas(“step and repeal”)

GL’effet tunnel, un phénomène quantiqueLa physique quantique prédit des comportementsinhabituels et difficiles àaccepter par notre intuition immédiate,comme l’effet tunnel. Prenons le cas d’unebille devant franchir une bosse. En physiqueclassique, si l’énergie communiquéeà la bille est insuffisante, elle ne peut pasfranchir la bosse et retombe vers son pointde départ. En physique quantique, uneparticule (proton, électron) peut franchirla bosse, même si son énergie initiale estinsuffisante: elle peut passer de l’autrecôté comme par un petit tunnel. L'effettunnel peut ainsi permettre à deux protonsde surmonter leur répulsion électrique àdes vitesses relatives plus basses quecelles qu'indique le calcul classique. Lamicroscopie à effet tunnel est basée surle fait qu’il y a une probabilité non nullequ’une particule d’énergie inférieure à lahauteur d’une barrière de potentiel (labosse) puisse la franchir. Les particulessont des électrons traversant l’espaceséparant deux électrodes, une fine pointemétallique terminée par un atome uniqueet la surface métallique ou semi-conductricede l’échantillon. La physique classiquedonne d’une surface l’image d’unefrontière étanche, les électrons étant strictementconfinés à l’intérieur du solide. Parcontre, la physique quantique enseigneque chaque électron a un comportementondulatoire : sa position est “floue”. Enparticulier, au voisinage de la surface existeun nuage d’électrons dont la densité décroîttrès rapidement, de façon exponentielle,lorsque l’on s’éloigne du solide. L’électrona une certaine probabilité de se trouver“en dehors” du solide. Quand la fine pointemétallique est approchée de la surface, àune distance inférieure au nanomètre, lafonction d’onde associée à l’électron n’estpas nulle de l’autre côté de la barrière depotentiel, et les électrons passent de lasurface à la pointe, et réciproquement, pareffet tunnel. La barrière de potentiel franchiepar les électrons est appelée barrièretunnel. Lorsqu’une faible tension est appliquéeentre la pointe et la surface, un couranttunnel peut être détecté. La pointe etla surface étudiée forment localement unejonction tunnel. L’effet tunnel se manifesteégalement dans les jonctions Josephsonoù un courant continu peut passer à traversune étroite discontinuité entre deuxéléments supraconducteurs. Dans untransistor, l’effet tunnel peut se révélerde manière parasite quand l’isolant degrille devient très mince (de l’ordre dunanomètre). Il est par contre mis à profitdans de nouvelles architectures, telsles transistors à barrière tunnel Schottkyou à base de nanotubes de carbone.

CL’épitaxie par jets moléculairesLa fabrication des puits quantiquesutilise la technique d’épitaxie (dugrec taxi (ordre) et epi (dessus) par jetsmoléculaires (en anglais MBE, pourMolecular Beam Epitaxy). Le principe decette technique de dépôt physique,développée initialement pour la croissancecristalline des semi-conducteursde la famille III-V, est fondé sur l’évaporationdes différents constituantspurs du matériau à élaborer dans uneenceinte où est maintenu un vide poussé(pression pouvant être de l’ordre de5·10 -11 mbar) afin d’éviter toute pollutionde la surface. Un ou des jets thermiquesd’atomes ou de moléculesréagissent sur la surface propre d’unsubstrat monocristallin, placé sur unsupport maintenu à haute température(quelques centaines de °C), qui sert detrame pour former un film dit épitaxique.Il est ainsi possible de fabriquerdes empilements de couches aussifines que le millionième de millimètre,c’est-à-dire composées de seulementquelques plans d’atomes.Les éléments sont évaporés ou sublimésà partir d’une source de hautepureté, placée dans une cellule à effusion(chambre dans laquelle un fluxmoléculaire passe d’une région oùrègne une pression donnée à une régionde plus basse pression) chauffée pareffet Joule.La croissance du film peut être suiviein situ et en temps réel en utilisant diversessondes structurales et analytiques,en particulier des techniques d’étudede la qualité des surfaces et de leurstransitions de phase par diffractionélectronique en incidence rasante, LEED(pour Low energy electron diffraction) ouRHEED (pour Reflection high-energyelectron diffraction) et diverses méthodesspectroscopiques (spectroscopied’électrons Auger, SIMS (spectrométriede masse d’ions secondaires), spectrométriede photoélectrons XPS parrayons X et UPS (Ultraviolet photoelectronspectroscopy).La technique d’épitaxie par jets moléculairess’est étendue à d’autres semiconducteursque les III-V, à des métauxet à des isolants, se développant avecles progrès des techniques d’ultravide.Le vide régnant dans la chambre decroissance, dont la conception varieen fonction de la nature du matériauà déposer, doit en effet être meilleureque 10 -11 mbar pour permettre lacroissance d’un film de haute puretéet d’excellente qualité cristalline àdes températures de substrat relativementbasses. Il s’agit de qualité devide lorsque le bâti est au repos. Pourla croissance d’arséniures, par exemple,le vide résiduel est de l’ordre de10 -8 mbar dès que la cellule d’arsenicest portée à sa température deconsigne pour la croissance.Le pompage pour atteindre ces performancesfait appel à plusieurs techniques(pompage ionique, cryopompage,sublimation de titane, pompes àdiffusion ou turbomoléculaires). Lesprincipales impuretés (H 2 , H 2 O, CO etCO 2 ) peuvent présenter des pressionspartielles inférieures à 10 -13 mbar.