Section 08 Micro et nano-technologies, micro et nanosystèmes, électronique, photonique, électromagnétisme, énergie électrique

IV. Électronique

A. Généralités

« Électronique » désigne à la fois : (i) un domaine scientifique large allant de la physique des matériaux et des composants aux circuits/systèmes et (ii) un secteur applicatif et économique couvrant de nombreux enjeux sociétaux (information et communication, économie numérique, environnement, santé, renouveau industriel). Dans le nouveau programme Européen H2020, l'électronique (Micro & Nanoélectronique) fait partie de l'une des sept Technologies Clés Génériques (« Key enabling technologies »).

Aujourd'hui ce secteur de recherche aborde plusieurs verrous scientifiques et technologiques. Nous pouvons citer :

– la réduction énergétique des circuits et systèmes électroniques pour les applications nomades, embarquées ou plus encore pour le stockage massif de données numériques ;

– l'agilité des systèmes électroniques ;

– la variabilité des technologies incluant des problématiques de conception et de test ;

– le développement de technologies alternatives.

Outre des équipes CNRS et Universitaires, les principaux acteurs du domaine sont le CEA et l'INRIA. Ce domaine de recherche est également étroitement lié aux acteurs industriels (PME et grands groupes des secteurs de la microélectronique et des équipements).

B. Micro & Nanoélectronique

1. Les dispositifs et filières technologiques

Les avancées en micro et nanoélectronique suivent deux axes appelés « More Moore » et « More Than Moore ». Le premier axe vise à réduire la taille des transistors vers leurs limites physiques extrêmes de façon à servir le marché des micro-processeurs et des mémoires embarquées. Dans cette course à la miniaturisation, deux familles de transistors sont apparues, la famille des « TFET » dont la technologie planar FDSOI est un bon exemple et la famille des « FinFET » où le transistor 3D est constitué d'une grille verticale. Aujourd'hui, le nœud technologique en développement possède une taille de grille de 14 nm, et les résultats à l'état de l'art présentent des transistors de taille de grille inférieure à 10 nm, voire 7 nm. Le deuxième axe vise un champ applicatif beaucoup plus étendu ; les technologies dérivées de cet axe peuvent être qualifiées de technologies hybrides répondant à un domaine d'application spécifique. On peut citer, par exemple : les technologies BiCMOS SiGe en développement qui ont des Ft /Fmax de l'ordre de 500 GHz, et qui en recherche visent le THz ; ces technologies visent les applications millimétriques, voire THz ; les technologies GaN voire LDMOS sur SOI, qui visent les applications RF de forte puissance ; ces technologies en développement permettent la réalisation d'amplificateurs de puissance de l'ordre de 35 à 45 dBm, avec une efficacité PAE de l'ordre de 35 à 50 % dans les bandes de fréquence de 2 à 20 GHz ; les technologies de type Si/III-V, et III-V qui allient puissance et Ft /Fmax, avec des densités de puissance de l'ordre de 300 à 400 mW/mm et des Ft /Fmax de l'ordre de 500 GHz à 1 THz. Au-delà de ces approches conventionnelles, nous voyons émerger des filières comme par exemple : les transistors à effet de champ sur nanotube de carbone, ou CNTFET, avec des rapports Ion /Ioff de l'ordre de 106 à l'état de l'art ; les BISFET « Bilayer with symetric valence and conduction Band » adaptés à la structure du Graphène, et profitant de la forte mobilité des porteurs dans ce matériau ; mais aussi de nouvelles structures de FET comme les FET Tunnel ou les FET à grille ferroélectrique, qui permettent de réduire le saut de tension tout en maintenant un rapport Ion/Ioff important, cette liste n'étant pas exhaustive.

2. Circuits/systèmes/test

Les circuits et systèmes intégrés sont représentés par deux grandes familles : les systèmes sur une puce, ou SOC (System On chip), et les systèmes dans un boîtier, ou SIP (System In Package). Le choix de s'orienter vers une solution ou l'autre dépend de l'obligation, ou non, d'utiliser plusieurs technologies dédiées pour répondre aux contraintes d'une application.

Dans une approche SOC, deux critères importants vont déterminer sa faisabilité et son coût : sa testabilité, parce que plus un circuit est complexe, moins il sera aisé de le tester, et plus le coût du test sera élevé ; son agilité, parce qu'un circuit complexe doit pouvoir s'adapter à la multitude de standards existants et émergents dans l'application qu'il vise. On donnera pour exemple l'application RF de connectivité, dite Wifi, regroupant les standards 802.11.a ; b ; g ; ac ; ad... qui utilisent des fréquences porteuses de 2,5 GHz, 5 GHz, et 60 GHz, et ont des bandes passantes de 5 MHz à 2 GHz.

En ce qui concerne la testabilité, la recherche s'est orientée selon deux axes principaux : le développement de techniques structurelles (modèles de défauts, modèles de fautes) et d'approches fonctionnelles permettant de tester et d'assurer la fiabilité des circuits numériques et mixtes (analogique-digital) embarqués ; la réalisation de fonctions de test embarquées dans le système (BIST ou « Build In Self Test ») permettant au système de faire son propre diagnostic. La recherche dans le premier domaine s'est orientée vers les technologies de dernières générations, notamment en ce qui concerne le FinFET 3D ; dans le second domaine, il s'agit de développer maintenant les fonctions de test et de contrôle embarquées dans le système (BIST & BISC « Build in Self Control ») permettant au système de s'auto-réparer après un auto-diagnostic.

Pour accroître l'agilité, le système doit devenir reconfigurable à tous ses niveaux. Par exemple, en radio, des systèmes ont été développés jusqu'à maintenant de façon restreinte par un logiciel de contrôle, (SDR « Software Defined Radio »), c'est-à-dire qu'au moins la fréquence porteuse et/ou la bande passante ne sont pas reconfigurables. L'objectif de la recherche pour ces prochaines années est de s'orienter vers des systèmes radio complètement reconfigurables, ce qui pose notamment le problème des filtres et des antennes qui ne le sont pas systématiquement.

Dans une approche SIP, donc multi-technologies, le principal verrou à lever est lié à la co-conception multi-physique, multi-technologie et multi-représentation. Des problèmes de compatibilités restent à résoudre. Ils sont liés à la photonique (intégrée sur Si), à l'électromagnétisme (passifs métalliques, mais aussi encapsulation), à l'électronique analogique RF et millimétrique, à l'électronique numérique, à la mécanique (MEMS et NEMS), à l'électronique sur substrat organique mais également à la biologie, et ceci sur des représentations temporelles et fréquentielles. La modélisation multi-physique devient donc un enjeu important pour la réussite finale de l'application, cette approche ne peut être abordée que par une collaboration étroite entre acteurs maîtrisant chacun parfaitement son domaine.

Toutefois, quelle que soit l'approche retenue, il ne faut pas opposer SOC et SIP ; le système final sera certainement un SIP intégrant plusieurs SOC.

C. Électronique organique – Électronique sur supports flexibles/déformables

Le domaine de l'électronique organique et/ou souple suscite depuis une vingtaine d'années un effort de recherche alimenté par les possibilités incroyables qu'offrent les semi-conducteurs organiques pour la production de composants et circuits à bas coût.

Aujourd'hui, les OLEDs représentent l'application la plus mature industriellement, avec l'intégration d'écrans OLEDs dans des produits commerciaux nomades (téléphones, tablettes, appareils photographiques, récepteurs de télévision). Cependant, les matériaux et les architectures sont de plus en plus complexes, rendant cette technologie prohibitive pour les applications liées à l'éclairage. La recherche s'oriente donc vers l'optimisation des dépôts par voie liquide pour les rendre compatibles avec les technologies d'impression, et également vers la simplification de l'architecture des OLEDs. Soulignons également l'apparition depuis 2012 de nouveaux dopants à fluorescence retardée. Ces derniers présentent l'avantage de ne pas contenir de métaux lourds et rares (comme les complexes d'iridium).

Les avancées dans le domaine du photovoltaïque organique sont constantes et la barre des 10 % de rendement a récemment été dépassée. Le plus remarquable est certainement la « percée » des structures hybrides à base de pérovskites dont les rendements avoisinent les 20 % après seulement cinq ans d'existence. L'effort de recherche est maintenant focalisé sur l'élimination du plomb dans ces matériaux et sur leur stabilité.

Enfin, les semi-conducteurs organiques peuvent aussi être des conducteurs ioniques. Cette « double propriété » est un atout considérable pour les applications biologiques. Une avancée majeure a consisté à réaliser un réseau de transistors à base de polymère conducteur imprimés sur un substrat de quelques micromètres d'épaisseur pour enregistrer un encéphalogramme. Le gain a permis d'enregistrer des signaux identiques à ceux obtenus avec des électrodes implantées dans le cerveau. Dans ce domaine, les progrès sont encore importants et les interfaces machine/vivant bénéficieront de ces avancées, notamment grâce aux travaux sur la peau électronique.

Les laboratoires du CNRS et du CEA sont bien identifiés et apportent des contributions majeures. Néanmoins, les moyens investis en Allemagne leur permettent d'être leader européen. Au niveau international, si l'Europe est très bien placée au niveau de l'innovation et de la recherche, l'Asie a phagocyté le marché de l'affichage OLED. Il est donc crucial de conserver en Europe les autres domaines d'application de cette industrie naissante.

D. Spintronique

Les avancées récentes majeures en électronique de spin concernent entre autres la génération et l'injection des courants polarisés en spin et leur influence sur les nouveaux états magnétiques à l'échelle nanométrique, notamment en tirant profit de l'interaction spin-orbite dont le rôle dans les systèmes métalliques ultra-minces commence à être mieux cerné. Ces quatre dernières années, le terme « spin-orbitronique » a ainsi fait une entrée remarquée comme partie importante de l'électronique de spin.

Le plus emblématique de ces nouveaux effets est l'effet Hall de spin comme source de transfert de spin, qui a prouvé son efficacité en premier lieu pour manipuler l'aimantation dans des structures mémoires métalliques, mais aussi dans des isolants par conversion entre courants de spins ou courants de magnons. La spincaloritronique (génération des courants de spin par des effets thermoélectriques) est également une thématique en plein essor. Les matériaux à transport non conventionnel (graphène, isolants topologiques...) ou à propriétés magnétiques originales (alliages de Heusler, alliages à très forte anisotropie, à très faible amortissement...) ou d'intérêt applicatifs (aimants permanents) seront encore vecteurs de nombreuses recherches à court terme. L'agencement de ces matériaux dans des systèmes électroniques (circuits non volatils, circuits « instant on/off », logiques, mémoires ou traitement magnonique de l'information) est également riche d'enjeux.

L'évolution très récente a également vu un intérêt marqué pour les états magnétiques chiraux possibles dans les systèmes manquant de symétrie d'inversion. Enfin, les mémoires magnéto-résistives à écriture par transfert de spin (STT-RAM) ont fait leur arrivée sur le marché en 2013. Leur essor requiert de nombreux développements, avec des volets matériaux, théorie et architecture de circuits.

En conjonction avec les équipes du CEA, les laboratoires CNRS sont particulièrement bien placés au niveau international sur les thématiques précitées. Beaucoup des thématiques de recherche de l'électronique de spin rejoignent les thématiques de la commission 03 du CNRS.

E. Électronique Neuromorphique

Le cerveau et les systèmes biologiques en général constituent des moyens de traitement d'information et de calcul naturels évidemment performants qui dépassent les systèmes artificiels de plusieurs ordres de grandeur pour le compromis énergie-intégration. Il s'agit d'un thème intrinsèquement multidisciplinaire intégrant neurosciences, nanosciences, biologie, nanoélectronique, physique, mathématique, chimie, etc. Des résultats en rupture ont été récemment obtenus dans les différentes disciplines intervenant dans la conception et la réalisation matérielle d'architectures de calcul naturel. Au niveau international, l'effort industriel déjà mentionné (IBM, Hewlett-Packard, Qualcomm, Google, Yahoo, etc.) s'effectue en forte interaction avec d'importants projets partenariaux, tels que le célèbre projet Synapse de la DARPA, mais aussi le récent DARPA-Upside, la BRAIN Initiative aux USA, le Human Brain Project en Europe.

Au niveau français, l'intérêt des diverses communautés scientifiques pour la conception et la réalisation de systèmes bio-inspirés s'est manifestée ces dernières années par l'éclosion de nombreux projets ANR interdisciplinaires autour de ces thématiques ainsi que de multiples études préliminaires soutenues par la Mission pour l'Interdisciplinarité du CNRS. Ces projets incluent des industriels français, tels que Thales, mais aussi des start-up, telles que GlobalSensing qui conçoit et fabrique des puces neuromorphiques, ProBayes (algorithmes Bayésiens), SpikeNet (exploitation de réseaux de neurones à impulsions) ou Kalray (traitement massivement parallèle fortement intégré).

Pour le périmètre de la section 08 et dans le cadre de ces nouveaux paradigmes de traitement de l'information, des approches alternatives à celles rencontrées dans la microélectronique conventionnelle engendrent actuellement des études couvrant les domaines des matériaux aux systèmes complexes. Nous pouvons citer les nombreux travaux autour du memristor : dispositif électrique mimant la synapse en conservant un état de résistance après une brève excitation électrique (mémoires de type CB-RAM, OxRAM, FeRAM...). La plupart des travaux relatifs à l'implémentation matérielle des systèmes bio-inspirés se sont concentrés sur la réalisation de synapses à partir de nanocomposants. Des travaux ayant des objectifs similaires sont également engagés en nanophotonique et spintronique.

Le texte ci-dessus est extrait du document de création du GDR « BioComp ».