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Nanoélectronique

Introduction

L’augmentation de la performance des ordinateurs nécessite des composants électroniques de plus en plus petits. Cette miniaturisation des composants est décrite par la loi de Moore (du nom de son auteur co-fondateur de la société Intel) qui établit que le nombre de composants par centimètre carré double environ tous les 18 mois !

Actuellement, sur un peu plus d’un centimètre carré on intègre plus d’un milliard de transistors, le composant élémentaire d’un microprocesseur avec une taille de 45 nanomètres (bientôt 32 nm).

La réduction de la taille des transistors dans le domaine nanométrique se heurte à des problèmes de fabrication et de fonctionnement avec l’apparition de fluctuations statistiques et de nouveaux phénomènes physiques tels que les effets quantiques.

A l’horizon 2015-2020 ces problèmes deviendront tels que leurs solutions pourraient provenir d’un changement de technologie. Ce sont ces solutions que la nanoélectronique se propose d’explorer avec deux approches : la modification des composants conventionnels pour adapter leur fonctionnement aux dimensions nanométriques (électronique ultime), et le développement de composants alternatifs à base de nano-objets (nanoparticules, molécules,…) utilisant le plus souvent des phénomènes propres à l’échelle du nanomètre, comme les phénomènes quantiques.
Plus d’infos : Nanomicro, RMNT

Propriétés et Applications

Diverses propriétés propres à l’échelle nanométrique sont exploitées au sein de dispositifs de la nanoélectronique actuellement étudiés.

Blocage de Coulomb avec le transistor à un électron : les applications potentielles sont des électromètres miniatures (détection ultra-sensible de la charge), des mémoires, des circuits logiques…

Effet tunnel résonnant mis en pratique au sein de diodes ou de transistors. Ce sont des dispositifs permettant de réaliser des oscillateurs, des circuits logiques, des mémoires,… lien web

Logique quantique au sein d’automates cellulaires quantiques : une polarisation externe permet de contrôler l’état de charge d’une cellule constituée de nanoparticules définissant ainsi un état logique qui peut se propager sans fil par influence électrostatique. Diverses portes logiques élémentaires et leurs associations peuvent être réalisées. lien web

Electronique de spin : valve de spin et magnéto-résistance géante appliquée aux disques durs d’ordinateur (prix Nobel de physique 2007 décerné à A. Fert), jonction tunnel à spin appliquée aux mémoires RAM magnériques (MRAM). lien web

Interférences quantiques, comme par exemple l’effet Aharonov-Bohm.

Electronique moléculaire : « Traitement d’information par des effets photo-, électro-, iono-, magnéto-, thermo-, mécano- ou chimio-actifs à l’échelle d’édifices moléculaires structurellement et fonctionnellement organisés. » (J.M. Lehn, Angew. Chem. Int. Ed., 1988, Nobel Lecture). Ce champ de recherche s’est fortement développé expérimentalement depuis les années 1990. Il vise à la réalisation de dispositifs électroniques (comme un processeur par exemple) constitué soit d’une seule molécule regroupant l’ensemble des fonctions requises avec une approche intégrée, soit de composants moléculaires élémentaires (une ou quelques molécules) connectés entre eux par des électrodes dans une approche dite hybride. lien web

De nombreuses ressources supplémentaires sur la nanoélectronique peuvent être trouvées sur le site Nanohub.
L’évolution vers la nanoélectronique et ses dispositifs : Nanoelectronics Roadmap.

Nanoélectronique en Région PACA

Domaines explorés

−La région PACA se caractérise par une activité historique en microélectronique qui a dopé les recherches menées en nanoélectronique, telles que : 
 la modélisation des propriétés électroniques exaltées dans les structures à basse dimension (nanostructures 0D, 1D et 2D inorganiques, organiques ou hybrides)

−les nano-matériaux pour la nanoélectronique : nanotechnologies de fabrication (procédés physiques, chimiques ou optiques alliant les méthodes « bottom-up » et « top-down » de structuration de la matière) et l’étude de leurs propriétés électroniques

−la conception, la caractérisation, et la simulation de nano-composants électroniques, qu’ils soient ultimes (CMOS) ou alternatifs (électronique moléculaire, électronique organique, électronique de spin, blocage de Coulomb,…).

Exemples de projets de recherche régionaux

−Développement de nanocapteurs à base de nanotubes de carbone, nanofils d’oxydes semiconducteurs, et nanofils métalliques (collaboration IM2NP, CINaM, CEA).

−Projet européen « EMMA » (2006-2009) : Emerging Materials for Mass Storage Architectures, (www.imec.be/EMMA). Les objectifs de ce projet sont l’étude et le développement de mémoires non-volatiles à partir de technologies émergentes en utilisant les dispositifs résistifs et leur intégration au sein de systèmes à très forte densité de stockage. Il regroupe 6 partenaires européens dont l’IM2NP et l’IMEC (coord.).

−Projet ANR/PNANO « MEMO » (2006-2009) dans le domaine de l’électronique moléculaire. Il a pour objectif d’étudier la réalisation d’une cellule mémoire moléculaire compatible CMOS. Ce projet regroupe 6 partenaires dont l’IM2NP et l’IEMN (coord.).

−Projets ANR dans le domaine photovoltaïque (IM2NP) : * DUOSIL (Photovoltaïque silicium) * MULTIXEN (Phovoltaïque silicium) * NANORGYSOL (Phovoltaïque organique) * SPRACS (Structures Photoniques pour l’Amélioration du Rendement des Cellules Solaires photovoltaïques.))

Enjeux économiques et opportunités régionales

Le développement de solutions électroniques nouvelles via la nanoélectronique constitue un enjeu économique majeur pour l’industrie de la microélectronique.
En effet, outre les avancées scientifiques et technologiques, les réponses apportées permettront de prolonger la loi de Moore, véritable loi économique qui fixe les objectifs de toute l’industrie de la microélectronique actuelle. Par ailleurs la région PACA se caractérise par une très forte implantation d’acteurs importants de la microélectronique, la plaçant au 2ème rang au niveau national dans ce domaine : industries autour de Rousset et Sophia-Antipolis, laboratoires de recherche académiques localisés sur Marseille, Toulon, Gardanne, Nice-Sophia Antipolis, pôle de compétitivité mondial « Solutions Communicantes Sécurisées »,… Il est donc bien évident que les avancées en nanoélectronique ont un impact majeur sur la vie scientifique et économique de la région PACA.

Laboratoires de la région

De nombreux laboratoires de la région PACA travaillent dans le domaine de la nanoélectronique. Par ordre alphabétique :

CINaM : Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille, UPR CNRS 3118 (Marseille) Le CINaM est une Unité pluridisciplinaire du CNRS dont l’activité est centrée sur les nanosciences. Plus spécifiquement il s’intéresse à l’élaboration de nano-objets et à leur assemblage, à l’étude des propriétés fondamentales liées à leur taille réduite et à certaines de leurs applications. La nanoélectronique au CINAM porte essentiellement sur les nano-objets, la spintronique, et les matériaux organiques à propriétés électroniques (transistors à effet de champ, cellules solaires,…) pour des applications en électronique organique.

CMP : Centre de Microélectronique de Provence Georges Charpak, École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne (Gardanne)
A travers son département PS2 (Packaging & Support Souples), le CMP travaille sur : * la microélectronique imprimée sur support souple (matériaux organiques et nano-composites solubles) ; les applications sont les écrans TFT, les capteurs, les sources d’énergie,… * les technologies d’assemblage et de micro-connexion avancées (auto-assemblage, auto-organisation, nano-indentation).

CPT : Centre de Physique Théorique, UMR CNRS 6207 (Marseille) L’activité nanoélectronique se situe dans l’équipe « Nanophysique » : * Courant et corrélations de courant dans les systèmes électroniques corrélés * Transport de molécules uniques - électronique moléculaire - spintronique moléculaire * Physique des liquides de Luttinger * Propriétés électroniques des nanotubes de carbone * Transport électronique dans les états de bord de l’effet Hall quantique fractionnaire.

CRHEA : Centre de Recherche sur l’Hétéroépitaxie et ses Applications, UPR CNRS 10 (Nice Sophia-Antipolis) Le cœur de l’activité du laboratoire est la croissance par épitaxie de matériaux : couches épaisses, minces, hétéro-structures quantiques (puits, fils et boîtes) ou encore nanostructures. La nanoélectronique au CRHEA constitue une part des activités de l’équipe « Electronique ».

IM2NP : Institut Matériaux Microélectronique et Nanosciences de Provence, UMR CNRS 6242 (Marseille, Toulon) l’IM2NP rassemble les compétences nécessaires à la recherche et à l’enseignement en sciences des matériaux, microélectronique et nanosciences. Ses domaines d’expertise couvrent les sciences physique et chimique, les dispositifs, les circuits et les systèmes. Les thèmes de recherche abordés en nanoélectronique sont multiples : électronique ultime sur silicium, mémoires, conception de circuits intégrés, microcapteurs, optoélectronique, électronique de spin, électronique moléculaire, théorie et simulation.

Liens (régionaux, nationaux, Internationaux)

Pôle de compétitivité mondial SCS « Solutions Communicantes Sécurisées » (Rousset/Sophia Antipolis)
ARCSIS, Association pour la Recherche sur les Composants et Systèmes Intégrés Sécurisés (Rousset)
CIM PACA, Centre Intégré de Microélectronique PACA, (Gardanne/Rousset/Sophia Antipolis)
CNFM, Coordination Nationale pour la Formation en Micro et nanoélectronique, en PACA
GDR Nanoélectronique−Institut Carnot STAR, Science et Technologie pour les Applications de la Recherche (Marseille)
Master Minelec « microélectronique et nanoélectronique » (Aix-Marseille)


Référent Nanoélectronique pour le C’Nano PACA :

Lionel Patrone ( Cette adresse email est protégée contre les robots des spammeurs, vous devez activer Javascript pour la voir. )
Chargé de Recherche CNRS
Institut Matériaux Microélectronique et Nanosciences de Provence
IM2NP CNRS UMR 6242 – ISEN Toulon
Maison des Technologies | Place G. Pompidou | 83000 Toulon | France
Tel +33 (0) 494 038 950 | Fax: +33 (0) 494 038 951 |
site web

Groupe de travail : F. Fages, Th. Martin et L. Patrone

Texte de : L. Patrone.