Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

LES MATERIAUX SEMICONDUCTEURS Rapport rédigé sous la responsabilité de Michel L

LES MATERIAUX SEMICONDUCTEURS Rapport rédigé sous la responsabilité de Michel LANNOO, Institut d'Electronique et de Microélectronique du Nord Département I.S.E.N. Cité Scientifique - 59652 Villeneuve d'Ascq CONTRIBUTION DE FAURIE Jean-Pierre (CRHEA-CNRS Valbonne) LES MATERIAUX SEMI-CONDUCTEURS Ce document comporte deux parties, une présentation générale ainsi que des annexes sur les thèmes suivants : • semiconducteurs à large bande interdite, non linéarités optiques dans les semiconducteurs et microcavités optiques, nanophysique, nanotechnologies, microélectronique silicium, microsystèmes, rapport de conjoncture de la 08. L’importance croissante des semiconducteurs au niveau mondial est liée au fait que ces matériaux forment la base de la révolution technologique de ces quarante dernières années dans le domaine de l’électronique qui, au sens large, représente le marché mondial le plus important à l’heure actuelle en même temps que celui qui bénéficie de la croissance la plus rapide. Elle couvre des domaines industriels très divers : informatique, télécommunications, automobile, branche grand public, applications militaires et spatiales .... Dans ce marché, la part semiconducteurs est de l’ordre de 10 %, soit actuellement plus de 60 milliards de dollards. Le matériau de base est le silicium, la part relative des semiconducteurs composés présentant une tendance à la hausse. I DEFINITION ET LIMITES DU DOMAINE Les matériaux semiconducteurs interviennent principalement en microélectronique (dominée par le silicium), dans les domaines radiofréquences et hyperfréquences ainsi qu’en optoélectronique. De nouvelles disciplines se sont développées récemment, grâce aux progrès des technologies de la microélectronique : microsystèmes et micromécatronique, couplant capteurs, micromoteurs , actionneurs et microélectronique. Une caractéristique essentielle de la microélectronique silicium est la tendance à l’intégration croissante, répondant à la loi de Moore (croissance exponentielle du nombre de composants par plaquette), vérifiée depuis 30 ans. En production industrielle on atteint déjà des densités de l’ordre de 10 millions de transistors par plaquette, correspondant à une longueur de canal de 0.35 µm. Par ailleurs, des MOS de longueur de canal trente fois plus petite et fonctionnant à très basse température ont déjà été réalisés en laboratoire. Dans ce contexte il est couramment admis que la tendance actuelle, représentée par la loi de Moore, devrait pouvoir se poursuivre au moins pendant une dizaine d’années. Par la suite, elle se heurtera à un mur constitué à la fois des limites physiques et économiques (coût prohibitif des unités de fabrication). Pour franchir cet obstacle il y a donc nécessité d’une révolution technologique. Celle-ci aboutira forcément à la nanoélectronique, domaine où non seulement les composants seront de taille nanométrique mais où les procédés de fabrication, d’interconnexions, d’architecture de circuits... seront totalement différents. Le développement des semiconducteurs ne va pas se limiter à un seul aspect. Dans le passé les applications radiofréquences et hyperfréquences ont été stimulées par les besoins militaires. L’accent est plutôt mis maintenant sur des applications commerciales telles que les téléphones cellulaires, la réduction en taille des dispositifs, l’amélioration de la qualité de transmission, l’accroissement de puissance et de portée ... Dans ces domaines, on voit apparaître des matériaux tels que GaAs, InP, SiC ..., présentant chacun des avantages spécifiques. En optoélectronique, les semiconducteurs composés sont utilisés pour la fabrication des diodes laser pour l’optique non linéaire et jouent un rôle essentiel dans la modulation rapide de la lumière. Dans tous les cas, on assiste à une réduction des dimensions avec des effets de quantification de plus en plus marqués. Les limites du domaine ne peuvent être marquées nettement. Tout d’abord, les progrès ne se limitent pas aux seules applications mais permettent en même temps des avancées très importantes en physique fondamentale (ex : effet Hall quantique). Par ailleurs, les composants du futur seront de plus en plus basés sur des couplages entre semiconducteurs et matériaux de nature différente : métaux normaux ou supraconducteurs, matériaux magnétiques, diélectriques divers, molécules, systèmes biologiques ... La maîtrise des interfaces correspondantes se révèlera essentielle. Ceci implique des approches pluridisciplinaires en collaboration avec des chimistes, biologistes, microélectroniciens, informaticiens. II DIFFERENTS SEGMENTS DU DOMAINE Nous indiquons ci-dessous un certain nombre de secteurs-clés (les recherches à plus long terme sont repérées par le signe *) : • Circuits intégrés silicium Elaboration et caractérisation de matériaux diélectriques très minces (<5nm) pour le contrôle de grille - conditions d'élaboration et propriétés de jonctions très peu profondes (<10nm) - problèmes liés à l'électromigration (rupture des connexions métalliques) - fiabilité de mémoires à petit nombre d'électrons et difficultés liées aux fluctuations quantiques* - problèmes d'isolation et de dislocations induites, par exemple, par les contraintes dues au film diélectrique - croissance et attaque chimique ou par plasma de films - progrès dans les techniques de lithographie - possibilité d'interconnexions optiques* - silicium optoélectronique*. • Matériaux à large bande interdite Ces matériaux revêtent un intérêt majeur pour l'optoélectronique (certains II-VI comme ZnSe, le diamant et le SiC malgré un gap indirect, les nitrures comme GaN, InN, AlN permettant de couvrir une grande gamme spectrale). Un autre domaine d'application est la microélectronique en milieu hostile et l'électronique de puissance. Les difficultés à vaincre sont liées à des problèmes typiques de matériaux : méthodes de croissance réduisant les défauts natifs - choix du substrat - contrôle de dopage - utilisation pour composants hyperfréquences et optoélectroniques. • Hétérostructures et superréseaux avec applications aux composants hyperfréquences, à l'optique (en particulier non linéaire) et à l'optoélectronique. Les efforts doivent continuer à tendre vers une meilleure maîtrise des couches, en particulier pour les couches sous contrainte où il faut éviter l'apparition de dislocations (par exemple par croissance métamorphique). Les composés III-V, d’importance stratégique, restent les meilleurs candidats pour atteindre des performances ultimes en hyperfréquences. Par contre, il est nécessaire de poursuivre les études sur SiGe de manière à prolonger les résultats remarquables déjà obtenus avec ce matériau. Sur le plan de l'optique, il faut poursuivre les avancées sur les microcavités optiques, réflecteurs de Bragg semiconducteurs ou diélectriques et les matériaux à bande interdite photonique. • Nanoélectronique et nanophysique Il s'agit ici d'une recherche à long terme sur l'élaboration et la caractérisation des matériaux de base de l'électronique du futur. Il est essentiel de soutenir les thèmes suivants (liste non limitative) : - Réalisation de composants monoélectroniques : mémoires, transistors*,... - Lithographie à l'échelle nanométrique : X, électrons, STM - Application des techniques de champ proche à la caractérisation et la fabrication de nanosystèmes*. - Dépôt de couches autoorganisées sur semiconducteurs : couches moléculaires greffées, formation de fils et boîtes quantiques et de réseaux 3D de cristallites ; application au silicium optoélectronique*. - Couplage des semiconducteurs avec des molécules organiques ayant une certaine fonctionnalité ou avec des molécules biologiques*. - Interface semiconducteur avec diélectriques supraconducteurs ou matériaux magnétiques, application à de nouveaux composants (ex : transistors de spin)*. - Interrupteurs et mémoires mécaniques de taille moléculaire ou atomique*. - Utilisation des propriétés remarquables des fullerènes, tubules et autres formes de carbone*. • Micro et nanocomposants non électroniques Ce domaine est en plein essor avec les dispositifs micro-électro-mécaniques MEMS, ou même micro-opto-électro-mécaniques MOEMS (capteurs de pression, accéléromètres, micromoteurs), les dispositifs de microfluidique (micro-pompes, microvalves...), les capteurs chimiques ou biochimiques ainsi que les microdispositifs optiques. Les réalisations ont bénéficié des technologies mises au point pour la microélectronique. Là aussi, les aspects liés aux caractéristiques des matériaux semiconducteurs en couches minces sont essentiels. L'avenir, ici, réside dans l'élaboration de nouveaux types de composants, de systèmes dits intelligents, dans la recherche d'applications spécifiques. Dans un futur beaucoup plus lointain, on peut prévoir une évolution vers la réduction de dimensions jusqu'à l'échelle nanométrique*. L'association avec des systèmes issus de la nanoélectronique conduirait alors à des possibilités de micro et nanorobotique**. • Semiconducteurs non conventionnels Certains matériaux semiconducteurs synthétisés dans des Laboratoires de Chimie peuvent présenter des propriétés extrêmement intéressantes. C'est le cas par exemple des Skutteridites pour la thermoélectricité (voir Meeting APS 1996). Un autre aspect que l'on peut citer est représenté par les chalcogénures d'étain et d'antimoine qui présentent un intérêt pour les microbatteries ainsi que pour l'optoélectronique infrarouge. Dans tous ces cas, des études physico-chimiques couplées sont indispensables afin d'optimiser le matériau par rapport aux propriétés désirées.Un autre aspect concerne les polymères semiconducteurs dont des résultats récents ont montré les possibilités d'utilisation pour l'électroluminescence, la réalisation de transistors. • Modélisation Le domaine des composants, microélectroniques ou non, bénéficie depuis longtemps de l'apport des techniques de simulation. Celles-ci sont souvent basées sur la résolution d'équations macroscopiques et incorporent une représentation simplifiée du matériau en termes de paramètres (masse effective, coefficients de diffusion...). Les progrès des techniques de calcul vont rendre ces approches de plus en plus réalistes, les processus microscopiques (ex : barrières pour la diffusion) et la structure de bandes réelle pouvant être mieux décrits. Les codes numériques obtenus pourront être incorporés dans la description du fonctionnement des composants réels. Les efforts de modélisation-simulation devront aussi porter sur les techniques de réalisation de dispositifs : croissance, implantation et gravure. Enfin, la réduction de taille des composants (tendant vers l'échelle nanométrique), combinée au progrès incessant des possibilités de calcul commencent à rendre possible l'application directe de méthodes "ab initio" de la mécanique quantique à des systèmes réels. Beaucoup de travail reste à faire dans ce uploads/Ingenierie_Lourd/ materiaux-semiconducteur.pdf