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L’émission d’électronsà partir d’un matériau conduc-teur est possible, à température ambiante, lorsque

ce matériau est soumis à un champ électrique d’uneintensité supérieure au milliard de volts par mètre(ou au millier de volts par micron). Compte tenu de lavaleur colossale du champ à appliquer, l’obtention decet effet (dit effet de champ ou émission froide) posedes problèmes techniques majeurs s’il s’agit d’extrairedes électrons d’une surface plane.L’utilisation de pointesaux rayons de courbure très faibles placées en regardd’une anode polarisée permet de contourner cettedifficulté (figure 1a). En effet, le champ local au som-met d’une pointe est le produit du champ appliquépar un coefficient d’amplification qui dépend essen-tiellement de la géométrie de la pointe. Ce coefficient,typiquement compris entre 10 et 100,permet de rame-ner à des valeurs raisonnables l’intensité du champélectrique nécessaire à l’émission. Cette intensité estd’autant plus forte que le rapport d’aspect entre la hau-teur de la pointe et son rayon de courbure est grand.C’est là qu’entrent en scène les nanotubes de carbone(voir Les nanotubes de carbone, stars de la recherche).Leurs dimensions, en effet, sont exceptionnelles : leurdiamètre est compris entre un et quelques dizaines denanomètres (nm) et leur longueur atteint très facilement

plusieurs microns (µm),sans parler de records qui fontétat de millimètres, voire de centimètres. Ces objetssont donc très intéressants pour l’émission de champ,car leur rapport d’aspect (dans le cas d’un nanotube,rapport entre la hauteur et le rayon) atteint facilement

Les nanotubes, canons àélectrons à usages multiplesLes nanotubes de carbone sont particulièrement bien adaptés à l’extraction d’électrons à température ambiante. Cette propriété, directement liée à leur forme, peut être mise en œuvre dans deux types d’applications : la réalisation d’écrans plats et l’utilisation de microcanons à électrons pour élaborer les circuits électroniques du futur. Deux exemples qui illustrent l’apport des nanotechnologies à des objets tant de la viecourante que de très haute technologie.

Image du premier écranvidéo de 15 cm dediagonale à base denanotubes de carboneréalisé au Leti. Cetécran monochrome dedémonstration comporte320 � 240 pixels au pasde 350 µm.

CEA

Figure 1.Principe des structures utilisées pour extraire des électrons par émission froide.Structure diode (a): le champ électrique appliqué entre l’anode et la cathode est amplifié par l’effet de pointe des émetteurs, qui sont par exemple des nanotubes. Compte tenu du champ nécessaire, la tension Va est de plusieurs kilovolts car les distancesentre anode et cathode sont de l’ordre du millimètre.Structure triode (b): c’est la structure universellement utilisée. Ici, le champ d’extraction est obtenu par la grille située à quelquesmicrons de l’émetteur. Dans ces conditions, la tension grille Vg nécessaire à l’extraction des électrons n’est plus que de quelquesdizaines de volts et l’ensemble du dispositif est “intégrable”.

Va

Vg

émetteur1 mm

1 µm grille

anode

cathodea b

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Des nanotechnologies aux applications

quelques milliers.Cette géométrie particulière permetdonc d’extraire facilement des électrons de ces maté-riaux en appliquant des champs faibles, de l’ordre dequelques volts par micron.

Des émetteurs d’électronsparticulièrement performants

Contrairement aux applications de l’électroniquemoléculaire qui nécessitent des nanotubes très biencristallisés avec un caractère semi-conducteur ou

métallique défini, les applications des nanotubes àl’effet de champ sont beaucoup moins exigeantes.Elless’accommodent de tubes de bien moins bonne qualité,ce qui permet d’utiliser des nanotubes multiparoisréalisés à des températures assez basses, donc compa-tibles avec des dépôts sur des substrats de verre ou surdes circuits intégrés silicium fonctionnels.Les structures classiques pour extraire des électronssont des structures triodes (figure 1b) où le champest appliqué par l’intermédiaire d’une grille prochede l’émetteur. Du fait de cette proximité, les tensionsrequises pour obtenir un courant d’émission sontrelativement faibles (typiquement quelques dizainesde volts).Après extraction du matériau, les électronssont accélérés sous vide par un deuxième champ élec-trique appliqué entre la cathode et une anode situéeà une distance de l’ordre du millimètre. Les électronsinteragissent au niveau de l’anode soit avec unphosphore (ou luminophore) pour émettre de lalumière (application écrans plats), soit avec une résinepour l’insoler (application lithographie). Deux appli-cations brièvement détaillées ici.

Une nouvelle générationd’écrans de télévision

Le marché visé par cette nouvelle technologie d’écransest principalement celui de la télévision,où la taille desécrans peut atteindre un mètre de diagonale. Grâce àl’introduction des nanotubes, de nouvelles structuresd’écrans ne comportant pas de motifs inférieurs à 10µm,donc facilement réalisables sur une grande surface,ontété développées au Laboratoire d’électronique et detechnologie de l’information (Leti) du CEA (figure 2).Une première génération d’écrans plats utilisant l’émis-sion froide avait été développée dans les années 1990.Malgré son succès technique, cette technologie n’avaitpas été commercialisée à cause d’un coût de fabrica-tion trop élevé.En effet, les émetteurs d’électrons étaientdes micropointes en molybdène situées dans des trousde grille d’un diamètre de l’ordre du micron.Cette géo-métrie, imposée par le faible coefficient d’amplificationde la pointe,est difficile à réaliser de façon économiquesur une grande surface. De grandes sociétés commeSamsung développent également cette nouvelle tech-nologie à base de nanotubes, qui pourrait apparaîtresur le marché grand public avant la fin de la décennie.Plus lumineux et moins chers que les écrans plasmaactuels, ces écrans devraient les remplacer à terme.Une fois réalisée la structure triode de l’écran par desmoyens conventionnels tels que dépôts de couchesminces et gravures, le dépôt de nanotubes est effectuélors d’une étape de croissance à 600 °C. Cette crois-sance est localisée uniquement sur des plots de cata-lyseur (figure 3) très grands (10 � 6 µm) par rapportaux nanotubes à réaliser. Leur épaisseur, en revanche,n’est que de 10 nm. Pendant le chauffage de toute lastructure à 600 °C, la couche obtenue se fragmente enune multitude de gouttelettes dont le diamètre moyenest justement le diamètre des nanotubes. Ces gouttesconstituent les germes de croissance de ces derniersqui vont s’organiser ensuite en tapis sur la zone initia-lement couverte par le plot de catalyseur.La technologie est intéressante, car elle permet decontrôler le diamètre et la densité des nanotubes sansavoir recours à des étapes coûteuses de lithographie.

Figure 3.Procédé de croissance des nanotubes utilisés dans les écrans. Dans l’étape n° 1 (en haut à gauche), le plot de catalyseur se fragmente sous l’effet de la température. Les gouttelettes de catalyseur sont nettement visibles sur l’image (en haut à droite), obtenue au microscopeélectronique à balayage, d’un plot de catalyseur après fragmentation.L’étape n° 2 (en bas à gauche) est la croissance des nanotubes sur les gouttelettes de catalyseur. Le gaz réactif (ici, de l’acétylène) se décompose sur chaque gouttelette, le carbone diffuse à travers elle et le nanotube se construit sous la gouttelette, qui se trouveau sommet du tube. L’image du plot de catalyseur après croissance (en bas à droite) montrele tapis de nanotubes.

Figure 2.Structure d’une cathode pour écran plat utilisant des nanotubes de carbone en guised’émetteurs.En (a), vue au microscope électronique à balayage de la structure d’un pixel (350 µm par 117 µm) constitué par quatre bandes métalliques (grilles) entre lesquelles les nanotubesont poussé sur des plots de catalyseur situés dans les tranchées.En (b), détail des tapis de nanotubes obtenus entre les grilles. Chaque tapis a une taille de 10 � 6 µm et les nanotubes visibles un diamètre de 30 nm.En (c), coupe de principe de la structure de la cathode.

nanotubes de carbone(émetteurs)

grillecathode

a

b

c

600 °C

C2H2

C2H2 w 2C + H2

10 µm

350 µm

117 µm

CEA

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Les tapis de tubes sont utilisés tels quels pour l’émis-sion, les tubes les plus longs constituant statistique-ment les émetteurs d’électrons. Les performancesactuellement obtenues sont proches de celles néces-saires à la réalisation d’un produit fini. La brillance,la durée de vie et les coûts de production obtenus sonttrès favorables. Seule l’uniformité de l’émission d’unpixel à l’autre doit encore être améliorée.

Au secours de la lithographie avancée

Les besoins de la lithographie (étape technologiquequi permet de reproduire à échelle réduite dans unmatériau un motif initialement présent sur un masque)sont immenses et tirés vers des résolutions de plus enplus élevées par les besoins d’intégration des compo-sants de la micro et de la nanoélectronique. La trèsgrande résolution nécessaire à la fabrication des futurscircuits intégrés ne sera plus accessible dans quelquesannées (aux alentours de 2010) aux moyens optiquescar la longueur d’onde de la lumière utilisable (ultra-violette) sera devenue trop grande par rapport auxmotifs que l’on cherchera à réaliser (dimensions infé-rieures à 50 nm).

Lithographie sans masqueLa solution connue pour augmenter la résolution estd’utiliser non plus un faisceau lumineux qui vientreproduire grâce à une optique un masque compor-tant les motifs à réaliser, mais un faisceau d’électronsqui va venir dessiner directement ces mêmes motifssur une résine. Le gain en résolution est sensiblementéquivalent à celui qui existe entre un microscopeoptique classique et un microscope électronique.Maisun nouveau problème surgit, et de taille : le tempsd’écriture des motifs sur la résine, qui se fait locale-ment avec un seul pinceau électronique, point parpoint, devient prohibitif et de plus en plus long aufur et à mesure que la résolution augmente pouratteindre la valeurs recherchées, inférieures à 5 nm.Pour diminuer le temps d’écriture, comme il n’est paspossible de faire d’image, l’idée est d’utiliser non plusun seul faisceau mais un grand nombre de faisceauxd’électrons (typiquement 10000) qui vont travailler en

a

b

nanotube

grille

cathode

isolant

parallèle. Chaque faisceau doit être piloté indépen-damment par un circuit intégré en silicium. Unematrice de microcanons à électrons est donc réaliséeau-dessus du circuit de commande.Les chercheurs ont pour ce faire bien sûr pensé auxnanotubes de carbone dont la faible valeur de champseuil d’émission électronique permet de réaliser descircuits de commande de petite dimension facile-ment intégrables.Contrairement à l’application écransplats, l’objectif est ici de réaliser des nanotubes verti-caux individuels ayant une localisation très précise(meilleure que 50 nm) dans le dispositif. Toujoursutilisé pour initier la croissance, le catalyseur est iciconstitué par une petite pastille de 50 nm de dia-mètre située au centre d’une cavité triode de 300 nmde diamètre (figure 4).Les difficultés techniques sont très nombreuses. Ils’agit en particulier de maîtriser la croissance desnanotubes à une température qui garantisse le bonfonctionnement de l’électronique (typiquement400 °C) alors que les températures d’élaboration destubes sont généralement supérieures à 600 °C. Lesimages déjà obtenues lors du développement duprojet par le Leti attestent des progrès réalisés dansce domaine.

Un premier macrocomposant électroniquefonctionnant grâce à des nano-objets

Les écrans plats constituent certainement le premiertype de macrocomposant électronique fonctionnantgrâce à des nano-objets, disponible aujourd’hui auCEA. Cette application illustre la révolution queva permettre l’introduction de tels objets dans lescomposants électroniques dont les nanotechnologiesont déjà permis de diminuer le coût, tout en assurantles performances requises. Dans le cas des micro-canons pour la lithographie, ces mêmes nano-objetsdevraient permettre,grâce à leurs performances intrin-sèques exceptionnelles, d’accroître les performancesglobales du système. La technologie des nanotubescommence seulement à être apprivoisée, mais il estdéjà clair que,dans quelques années, elle se retrouveradans de nombreux objets, aussi bien d’usage courantque de haute technologie.

> Jean DijonDirection de la recherche technologique

CEA-Leti centre de Grenoble

CEA

CEA

Figure 4.Images au microscope àbalayage d’un réseau demicrocanons à électronsréalisés sur une tranche desilicium de 200 mm. En (a), vued’un réseau de cavités triodesoù les trous de grille ont undiamètre de 300 nm.En (b), vue de détail en coupemontrant le nanotube decarbone vertical dans sa cavitéainsi que l’empilement des matériaux constitutifs du nanodispositif. La grille etla cathode sont des métauxisolés par une couche isolanteen silice.

A

Afin de se représenter plus aisé-ment les dimensions des objets

micro et nanoscopiques*, il est pra-tique de procéder à des comparaisonset courant de faire correspondre diffé-rentes échelles, 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

Tranche de silicium de 300 mm réalisée par l’Alliance Crolles2, illustration de la démarchetop-down actuelle de la microélectronique.

Artech

niqu

e

Du monde macroscopique au nanomonde, ou l’inverse…

d’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 mani-pulation d’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 macro-scopiques, 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 elle

est connue. Mais il ne s’agit plus seu-lement d’adapter la miniaturisation dela filière silicium actuelle, mais ausside prendre en compte, pour s’en pré-munir ou les utiliser, les phénomènesphysiques, quantiques en particulier,qui apparaissent aux faibles dimen-sions.La voie ascendante peut permettre depasser outre ces limites physiques etaussi de réduire les coûts de fabrica-tion, en utilisant notamment l’auto-assemblage des composants. C’est elleque suit la vie en pratiquant l’assem-blage de molécules pour créer des pro-téines, enchaînement d’acides aminésque des super-molécules, les acidesnucléiques (ADN, ARN), savent faire pro-duire au sein de cellules pour formerdes organismes, les faire fonctionner etse reproduire tout en se complexifiant.Cette voie, dite “bottom-up”, vise à orga-

niser la 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 fonc-tionnels.Les nanosciences peuvent ainsi êtredéfinies comme l’ensemble des recher-ches visant à la compréhension despropriétés (physiques, chimiques etbiologiques) des nano-objets ainsiqu’à leur fabrication et à leur assem-blage par auto-organisation.Les nanotechnologies regroupent l’en-semble des savoir-faire qui permet-tent de travailler à l’échelle molécu-laire pour organiser la matière afin deréaliser ces objets et matériaux, éven-tuellement jusqu’à l’échelle macro-scopique.

*Du grec nano qui signifie “tout petit”et est utilisé comme préfixe pour désigner le 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.

A

mondevivant

voie ascendante“bottom-up”

monde artificielvoie

descendante“top-down”

homme2 m

véhicule individuel 2 m

papillon5 cm

téléphone portable 10 cm

fourmi1 cm

puce de carte 1 cm

puce1 mm

grain de pollen 10 µm à 20 µm

cheveu 50 µm(diamètre)

globule rouge5 µm

virus 0,1 µm

ADN3,4 nm

molécule quelques Å

microsystème 10-100 µm

interconnexions de circuit intégré

1-10 µm

transistor “Cooper”

1 µm

nanotransistor 20 nm

nanoparticule10 nm

boîte quantique5 nm

atome 1 nm

(Suite)

0,1 nm

10-10 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 m

1 nm

nanomonde

10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm 1 mm 1 cm 10 cm 1 m

S. W

anke

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A. Ponchet, CNRS/CEMES

D. R

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link

CEA

D. M

icho

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tech

niqu

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A

Artechnique/CEA

B

La physique quantique (historique-ment dénommée mécanique quan-

tique) est l’ensemble des lois physiquesqui s’appliquent à l’échelle microsco-pique. Fondamentalement différentesde la plupart de celles qui semblents’appliquer à notre propre échelle, ellesn’en constituent pas moins le socle glo-bal de la physique à toutes ses échel-les. 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)

appelé constante de Planck (h), dont lavaleur est de 6,626·10-34 joule·seconde.Alors que la physique classique distin-gue ondes et corpuscules, la physiquequantique englobe en quelque sorte cesdeux concepts dans un troisième, quidépasse la simple dualité onde-cor-puscule entrevue par Louis de Broglie,et qui, quand nous tentons de l’appré-hender, semble tantôt proche du pre-mier et tantôt du deuxième. L’objet quan-tique constitue une entité inséparablede ses conditions d’observation, sansattribut propre. Et cela, qu’il s’agissed’une particule – en aucun cas assimi-lable à 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 impos-sible de définir avec précision à un instantdonné à la fois la position d’une parti-cule et 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.

Quelques repères de physique quantique

“Vue d’artiste” de l’équation de Schrödinger.

D. S

arra

ute/

CEA

C’est qu’à tout instant l’objet quantiqueprésente la caractéristique de superpo-serplusieurs 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 équi-valent une 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 sys-tème est 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 géné-ralement étalé dans l’espace, l’idée delocalité des objets ne va plus de soi. Dansune paire de particules intriquées, c’est-à-dire créées ensemble ou ayant déjàinteragi l’une sur l’autre, décrite par leproduit et non par la somme de deux vec-teurs d’état individuels, le destin de cha-cune est lié à celui de l’autre, quelle quesoit la distance qui pourra les séparer.Cette caractéristique, également appe-lée l’enchevêtrement quantique d’états, a

des implications vertigineuses, sansparler des applications imaginables, dela cryptographie quantique à – pourquoine pas rêver? – la téléportation.Dès lors, la possibilité de prévoir le com-portement d’un système quantique n’estqu’une prédictibilité probabiliste et sta-tistique. 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 pro-priété physique 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 quan-tique peuvent 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 phy-sique quantique, le principe (d’exclu-sion) 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 limites

posées 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 quan-tique. Dès lors, la théorie de la déco-hérence quantique peut expliquer pour-quoi les objets macroscopiques ont uncomportement “classique” tandis queles objets microscopiques, atomes etautres particules, ont un comportementquantique. Plus sûrement encore qu’undispositif de mesure pointu, “l’environ-nement” (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 sau-vegarder une quelconque cohérencequantique.

B (Suite)

POUR EN SAVOIR PLUSÉtienne KLEIN, Petit voyage dans le monde des quanta, Champs,Flammarion, 2004.

C

La fabrication des puits quantiquesutilise la technique d’épitaxie (du

grec taxi (ordre) et epi (dessus) par jetsmoléculaires (en anglais MBE, pourMolecular Beam Epitaxy). Le principe decette technique de dépôt physique,développée initialement pour la crois-sance cristallinedes semi-conducteursde la famille III-V, est fondé sur l’éva-poration des 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 pollu-tion de la surface. Un ou des jets ther-miques d’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 épi-taxique. Il est ainsi possible de fabri-quer des empilements de couches aussifines que le millionième de millimètre,c’est-à-dire composées de seulementquelques plans d’atomes.

Les éléments sont évaporés ou subli-més à partir d’une source de hautepureté, placée dans une cellule à effu-sion (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 situet en temps réel en utilisant diver-ses sondes 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 métho-des spectroscopiques (spectroscopied’électrons Auger, SIMS (spectromé-trie de masse d’ions secondaires), spec-trométrie de photoélectrons XPS parrayons X et UPS (Ultraviolet photoelec-tron spectroscopy).La technique d’épitaxie par jets molé-culaires s’est étendue à d’autres semi-

conducteurs que 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 relati-vement basses. Il s’agit de qualité devide lorsque le bâti est au repos. Pourla croissance d’arséniures, par exem-ple, le vide résiduel est de l’ordre de10-8 mbar dès que la cellule d’arse-nic est portée à sa température deconsigne pour la croissance.Le pompage pour atteindre ces per-formances fait appel à plusieurs tech-niques (pompage ionique, cryopom-page, sublimation de titane, pompes àdiffusion ou turbomoléculaires). Lesprincipales impuretés (H2, H2O, CO etCO2) peuvent présenter des pressionspartielles inférieures à 10-13 mbar.

L’épitaxie par jets moléculaires

D

En décembre 1947, John Bardeenet Walter H. Brattain réalisaient le

premier 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 (SiO2),qui sert d’isolant.

En 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 mémoi-res. 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 resis-tor, résistance de transfert), composantde base des circuits intégrés micro-

électroniques, le restera mutatis mutan-dis à 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’inter-rompre à la demande, à la manière d’uncommutateur (figure). Son principe debase s’applique donc directement autraitement du langage binaire (0, le cou-rant ne 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, équi-valent du filament émetteur du tubeélectronique, le drain, équivalent de laplaque collectrice, et la grille, le “contrô-leur”. 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 négati-ves) et les trous (charges positives), etse composent de deux parties de sub-strat semi-conducteur identiquement

Le transistor, composant de base des circuits intégrés

Figure.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 électriquement du canal de conduction. Le substrat en silicium est noté B (pour Bulk).

commutateur

transistor

source drain

source

source

isol

emen

t

isol

emen

t

isolant de grille

drain

drain

vue en coupe

Lg = longueur de grille

grille de commande

grille

grille

canalsubstrat Si

Lg

D (Suite)

Luce

nt T

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(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).

Transistor 8 nanomètres développé par l’Alliance Crolles2 réunissantSTMicroelectrronics, Philips et FreescaleSemiconductor.

dopées (p ou n), séparées par une mincecouche de semi-conducteur inversementdopée. L’assemblage de deux semi-conducteurs de 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 bipolai-res sont fondamentalement des ampli-ficateurs de courant, commandés par uncourant de grille(1): ainsi dans un trans-istor n-p-n, la tension appliquée à la par-tie p contrôle le passage du courant entreles deux régions n. Les circuits logiquesutilisant des transistors bipolaires, appe-lés TTL (Transistor Transistor Logic), sontplus consommateurs de courant que lestransistors à effet de champ, qui pré-sentent un courant de grille nul en régimestatique et sont commandés par l’appli-cation d’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 placée

au-dessus du semi-conducteur et quiporte tout naturellement le nom degrille,les trous sont repoussés de sa surfaceoù viennent s’accumuler les quelquesélectrons du semi-conducteur. Un petitcanal de conduction peut ainsi se for-mer entre la source et le drain (figure).Lorsqu’une tension négative est appli-quée sur 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, conden-sateurs, résistances) sont d’origine incor-porés au 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 fraction-ner le cœur des processeurs en plusieurssous-unités travaillant en parallèle!

Le tout premier transistor.

E

La lithographie optique (ouphotolithographie), appli-

cation majeure de l’interactionparticules/matière, est le procédétraditionnel de fabrication des circuits intégrés. Étape clé de ladéfinition des motifs de ces cir-cuits, 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 énergé-tiques, 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 consti-tueront, 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 fabrica-tion d’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 de 3 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 éner-gie de quelques électronvolts), permet-tant d’atteindre des résolutions de 110 nm, et même inférieures à 90 nm avec de nouveaux procédés.Le Laboratoire d’électronique et de tech-nologie de l’information (Leti) du CEA aété un des pionniers, dans les années1980, dans l’utilisation des lasers en

lithographie et dans la réalisation descircuits intégrés par les lasers à exci-mères, qui constituent aujourd’hui lessources employées pour la productiondes circuits intégrés les plus avancés.Pour l’industrie, l’étape suivante devait êtrele laser F2 (λ = 157 nm), mais cette litho-graphie a été quasiment abandonnée faceà la difficulté de réaliser des optiquesen CaF2, 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 consi-dérable déjà obtenu, deux autres ont étédéterminants. Le premier a été la mise aupoint de résines photosensibles baséessur des matrices de polymères peu absor-bantes aux longueurs d’onde utilisées etmettant en œuvre des mécanismes de

propagation de l’énergie reçuetoujours plus innovants. Lesecond a consisté en l’améliora-tion des optiques avec une dimi-nution des phénomènes parasitesliés à la diffraction (meilleure qua-lité de surface, augmentation del’ouverture numérique).Au fil des années, la complexitéaccrue des systèmes optiques a ainsi permis d’obtenir des réso-lutions inférieures à la longueurd’onde de la source. Cette évo-lution ne pourra se poursuivre sans une rupture technologiquemajeure, un saut important enlongueur d’onde. Pour les géné-

rations des circuits intégrés dont la réso-lution minimale est comprise entre 80 et50 nm (le prochain “nœud” se situant à 65nm), différentes voies basées sur la projection de particules à la longueurd’onde de plus en plus courte ont été misesen concurrence. Elles mettent respecti-vement en œuvre des rayons X “mous”, en extrême ultraviolet (dans la gamme des 10 nm), des rayons X “durs” (à la lon-gueur d’onde inférieure à 1 nm), des ionsou des électrons.L’étape consistant à atteindre des réso-lutions inférieures 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”.

La lithographie, clé de la miniaturisation

Zone de photolithographie en salle blanche dans l’usineSTMicroelectronics de Crolles (Isère).

Figure. 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.

Art

echn

ique

étalement de la résine

centrifugationséchage

exposition pas à pas(“step and repeal”)

source

masque

optique de projection

gravureretrait résine

dépôt d’unenouvelle couche

développement

G

La physique quantique prédit des com-portements inhabituels et difficiles à

accepter par notre intuition immédiate,comme l’effet tunnel. Prenons le cas d’unebille devant franchir une bosse. En phy-sique classique, 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 (la

bosse) 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-conduc-trice de l’échantillon. La physique clas-sique donne d’une surface l’image d’unefrontière étanche, les électrons étant stric-tement confinés 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’est

pas 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 fran-chie par les électrons est appelée barrièretunnel. Lorsqu’une faible tension est appli-quée entre la pointe et la surface, un cou-rant tunnel 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 tra-vers une 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 pro-fit dans de nouvelles architectures, telsles transistors à barrière tunnel Schottkyou à base de nanotubes de carbone.

L’effet tunnel, un phénomène quantique