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08 08 Document Transcript

  • 08ÉLECTRONIQUE, SEMI-CONDUCTEURS, PHOTONIQUE, GÉNIE ÉLECTRIQUE JEAN-PIERRE GOEDGEBUER Les travaux de la section 08 s’organisent Président de la section autour de la physique des objets technologiques destinés au traitement de l’information et au génie électrique. GEORGES KAMARINOS Rapporteur Les recherches sur les semi-conducteurs recou- vrent la miniaturisation des composants micro-élec- Philippe Auriol troniques et son impact sur les circuits, les structures à base de semi-conducteurs composés et leur appli- Jean-Paul Berry cation à l’électronique et à l’optoélectronique. Jean Bigeon Jean-Pierre Chabrerie Les fonctions optiques pour l’imagerie, le stoc- kage et le traitement de l’information reposent sur Pierre Chavel les composants passifs, notamment micro-optiques, Sylvain Delage mais aussi sur la maîtrise de la photonique non Denis Deschacht linéaire. Jean-Paul Dom Les études de diffraction et de rayonnement Simone Duchemin couvrent de mieux en mieux les problèmes de François Forest l’électromagnétisme et de l’acoustique dans toutes Pierre Guillon les gammes de fréquence et s’étendent au traite- ment du signal associé. Guy Labrunie Michel Lannoo Le génie électrique optimise la conception des Augustin Martinez moteurs, actionneurs, circuits de commande et de la fourniture d’énergie. Christian Pieralli Jean-Pierre Renard Dans tous ces domaines, largement ouverts Paul-Alain Rolland aux applications, l’optimisation de systèmes com- plexes joue un rôle croissant : composants micro- Jean-Marc Saurel ondes en interaction avec leur environnement, Jacques Vanbremeersch comportements thermique, mécanique et électrique 1
  • RAPPORT DE CONJONCTURE 1996des systèmes à géométrie tridimensionnelle quel- - Les alliages SiGe ou SiGeC sont obtenus parconque. techniques industrialisables, et ils ouvrent la voie pour des composants à Haute Fréquence ou en La recherche de performances accrues par optoélectronique (transistor bipolaire à hétérojonc-recours à des matériaux spécifiques est une pro- tion : fT ≅ 160 GHz à T ≅ 300 K).blématique essentielle. - Les microtechnologies à la base des micro- systèmes se développent à grande vitesse, et – là aussi – c’est le silicium qui domine.1 - LES COMPOSANTS ACTIFS Les progrès de la micro-électronique, ces deux ET LEURS TECHNOLOGIES - ou trois dernières années, soulèvent une question, confirment une certitude et dévoilent une possibilité : MICRO-ÉLECTRONIQUE, - Question : dans “la course à la miniaturisation”, OPTOÉLECTRONIQUE, ira-t-on au-dessous de 0,1 µm ? MICROSYSTÈMES - Certitude : la nécessité de “fabrication scientifique” s’impose pour des filières sub-demi-sous micro- niques. - Possibilité : des avancées considérables peuvent Les composants électroniques à semi-conduc- venir par de nouvelles architectures des circuitsteurs constituent les éléments actifs des circuits inté- intégrés exploitant la complexification et les effetsgrés, et ils sont à l’origine de toutes les avancées de collectifs.l’électronique. La poursuite de la miniaturisation Les semi-conducteurs sont le matériau de basede ces composants. Le silicium est, de loin, le semi- Il est démontré, expérimentalement et théori-conducteur le plus utilisé ; mais c’est surtout, avec quement, que les limites physiques pour la réduc-les semi-conducteurs composés (III-V ou II-VI) que tion des tailles dans les composants de type MOSles circuits les plus performants et les plus rapides sont très basses (le TMOS à longueur de canal deen télécommunication ou en optoélectronique sont 70 Å a été fabriqué et il fonctionne à très basse tem-réalisés. pérature). Pour la réalisation des microsystèmes, une Les limitations sont de deux types :large palette de matériaux est utilisée, mais là aussiles semi-conducteurs dominent. - Techniques : la lithographie optique n’est plus possible en dessous de 0,1 µm et les tech- niques alternatives ne sont pas (encore) indus- trielles. 1. 1 L’ÉTAT DU SILICIUM - TECHNOLOGIE DE BASE , - Économiques : il paraît que le coût d’instal- lation et de fonctionnement d’une industrie produi- PHYSIQUE DES COMPOSANTS sant des circuits intégrés de TMOS de taille infé- rieure à 0,1 µm est prohibitif par rapport aux Les tendances de la micro-électronique au sili- prévisions de développement du marché.cium sont confirmées : - Le silicium domine “le marché des semi-conducteurs” (99 % du marché dont 85 % en filièreCMOS) (*). (*) Pour les sigles, voir le glossaire à la fin du présent chapitre.2
  • 08 - ÉLECTRONIQUE, SEMI-CONDUCTEURS, PHOTONIQUE, GÉNIE ÉLECTRIQUELa fabrication scientifique de Coulomb à température ambiante et que de nombreux projets pour la réalisation des transistors L’exigence de fiabilité et le coût élevé du test “à un électron” (point-mémoire) et des chaînes depour des circuits comportant un nombre très élevé transistors voient le jour.(108) de TMOS exigent une fabrication qui abou-tisse à “zéro fluctuations” dans l’espace (pas de dis- Le “pari” des architectures avancéespersion de paramètres “technologiques”) et dans letemps (minimisation du bruit en excès par rapportau bruit thermique). Des avancées considérables Il paraît de plus en plus logique de soutenirsont à signaler dans ces domaines ; elles concer- que la course à la miniaturisation sera contournéenent : la mesure de la microcontamination et l’ana- par une avancée importante concernant l’architec-lyse de ses sources ; le contrôle fin de l’oxydation ture des circuits intégrés. Les architectures nouvellestrès fine (≅ 25 Å) ; les Processus Thermiques s’adresseront à un traitement de l’information plusRapides. efficace. Ces recherches “appartiennent” pour le moment, aux chercheurs de l’informatique et elles Les principaux enjeux qui émergent concer- concernent surtout le parallélisme.nent : Il n’est pas aussi exclu que l’exploitation des - les équipements et les capteurs de contrôle effets collectifs puisse aboutir à des innovationsdes procédés techniques (in situ surtout), importantes, et là les physiciens ont leur mot à dire... - les problèmes électrostatiques entraînant ladéfaillance et la rupture des diélectriques (ESD), - l’électromigration et la rupture des 1. 2 COMPOSANTS AUXconnexions métalliques, SEMI-CONDUCTEURS COMPOSÉS - le contrôle fin (structural – par exemple Bien que négligeable par rapport au marchérugosité – et électronique) des surfaces et inter- du silicium, le marché des III-V et composés assi-faces, milés est en progression rapide et continue depuis 1988 (environ 1500 millions de dollars en 1995). - le dépôt sur silicium des diélectriques autres L’effort de recherche qui est consacré aux maté-que le SiO2 (nitrures, ferroélectriques...). riaux III-V est lié à la forte mobilité des porteurs de charge et à la très grande diversité de bandes inter- Des modèles tridimensionnels très élaborés dites. La maîtrise des technologies de croissanceont fait leur apparition en concurrence (pour le permet la fabrication d’hétérostructures à modula-moment) avec des modèles basés sur la dynamique tion de dopage et de composition conduisant à lamoléculaire. réalisation de composants capables de couvrir toutes les fonctions de l’électronique micro-onde et Avant de clore ce chapitre, nous devons citer de l’optoélectronique.les avancées considérables dans le domaine de lacryomicroélectronique (précision de son champ Les progrès réalisés en croissance cristallined’application) ainsi que l’obtention du SiC en qua- ont permis la croissance de couches en adaptationlité suffisante pour la réalisation des composants de maille (GaAlAs/GaAs, GaInAs/AlInAs/InP) puisthermo-électroniques. en contrainte de maille (croissance pseudomor- phique GaInAs/GaAs, AlAs/GaInAs/InP) et plus Il est important de signaler aussi le chemin récemment en relaxation (croissance métamor-que l’idée et la technique ont parcouru pour envi- phique InAs/AlSb/GaAs). Cette dernière avancéesager l’électronique à “un électron”. Notons, par permet le passage du paramètre de maille du sub-exemple, qu’on a pu réaliser un dispositif à blocage strat à celui de la structure finale en libérant les 3
  • RAPPORT DE CONJONCTURE 1996contraintes de désadaptation, mais également en et permettra d’étendre la plage fréquentielle jusqu’àinterdisant aux dislocations générées par la relaxa- 100 Ghz.tion de venir émerger dans la structure finale. - Transistor bipolaire à hétérojonction GaInP/ Les retombées de ce concept sont importantes GaAs. Il est le composant de choix pour les appli-dans le domaine des composants III-V, que ce soit cations de puissance jusqu’en gamme millimétrique.pour les composants analogiques micro-ondes Développé au CNET et à Thomson LCR en techno-faible bruit ou de puissance, pour les composants logie hybride ou MMIC, il est au point mais non dis-logiques rapides (transistors à grille isolée par ponible commercialement.exemple) ou pour les composants optoélectro-niques. En effet, cette approche permet le déve- Composants optoélectroniquesloppement de structures mieux adaptées à leurapplication sur des substrats de grandes tailles et typiquescompatibles avec les filières technologiques exis-tantes. La croissance de structure pour lasers et Des lasers à multipuits quantiques de type Pmodulateurs 1,3 µm sur substrat GaAs à la place sur InP ont été développés à Thomson LCR avecd’InP a été récemment publiée au Japon et aux des fréquences de coupure de 22 GHz. Plus récem-États-Unis. ment des structures DFB biélectrodes ont permis au LCR d’atteindre 30 GHz. La pureté spectrale de Par ailleurs, les progrès des technologies telles ces lasers monomodes est de 100 KHz à quelquesque la lithographie, les méthodes de gravures, les 10 MHz.dépôts métalliques et diélectriques et des outils deconception permettent de disposer de compo- Des modulateurs électrooptiques à onde pro-sants III-V tant micro-ondes qu’optoélectroniques gressive présentent aujourd’hui des fréquences decapables de couvrir la plupart des applications coupure de l’ordre de 50 GHz dans les longueursactuelles, en télécommunication notamment, même d’onde 1,3 - 1,5 µm. Le CNET a développé dessi de nombreux progrès sont à attendre pour les modulateurs à électroabsorption sur InP avec desfuturs systèmes. fc ≅ 40 GHz. Des progrès restent à faire pour cou- vrir la gamme millimétrique.Composants micro-ondes typiques Des photodétecteurs sur InP développés sous forme PIN guide (fc de 60 à 110 GHz). Photodiode Plusieurs filières de transistors sont disponibles avalanche à multipuits quantiques (f c ≅ 10 GHz)en fonderie et ont vocation à couvrir l’ensemble des et MSM sont disponibles commercialementfonctions de l’électronique micro-onde et millimé- (fc ≅ 40 GHz).trique : - Transistor Métal Semi-conducteur (MESFET)sur GaAs. Disponible en composant discret ou 1. 3 LES MICROSYST ÈMESMMIC jusqu’à des longueurs de grille de 0,2 µm(ft # 100 GHz). Composant de choix pour les appli- Les microsystèmes sont maintenant unecations grand public jusque 20 GHz (Thomson, réalité : leur émergence, fulgurante ces trois der-Philips). nières années, est le produit de la rencontre d’une technologie du silicium mûre et des besoins indus- - Transistor à gaz bidimensionnel d’électrons triels naissants.(HEMT) sur GaAs (fonderie) ou InP (laboratoire).Disponible en fonderie pour des longueurs de grille Deux faits nouveaux sont à remarquer : un> 0,2 µm, il permet de couvrir toutes les fonctions début de réalité industrielle : en effet il existe desjusqu’à environ 60 GHz (Thomson, Philips). La produits microsystémiques “standard” pour desfilière 0,1 µm est en cours de transfert en fonderie applications à grandes quantités. Et des fonderies4
  • 08 - ÉLECTRONIQUE, SEMI-CONDUCTEURS, PHOTONIQUE, GÉNIE ÉLECTRIQUEopérationnelles ont vu déjà le jour en Europe ou Un des efforts les plus significatifs des der-aux États-Unis, fabriquant des objets monolithiques nières années a consisté à remplacer les méthodesou en pièces détachées (assemblées en solution de résolution approchées des systèmes électroma-“multipuce” ou non). gnétiques par des méthodes rigoureuses (intégrales, différentielles, variationnelles) qui permettent de On peut dire, brièvement, que la conjoncture prendre en compte la globalité des phénomènes.des microsystèmes aujourd’hui ressemble à celledes ASIC il y a cinq ans environ : les outils scienti- Les systèmes considérés peuvent être classésfiques et techniques sont en cours de développe- en deux grandes catégories. On traitera ainsiment, et les nouveaux besoins que ces nouveaux successivement des systèmes dits ouverts et desoutils vont permettre de satisfaire ne sont pas systèmes bornés physiquement.encore clairement définis. Les systèmes ouverts sont ceux pour les- quels se posent essentiellement les problèmes de diffraction, de rayonnement et de propagation des ondes dans l’espace libre. La diffraction décrit 2 - ONDES : l’interaction entre les ondes et les obstacles, sa ONDES ÉLECTRO- modélisation implique de prendre en compte des dimensions géométriques très variées par rapport à MAGNÉTIQUES, la longueur d’onde. Cette modélisation implique aujourd’hui la combinaison de méthodes numé- ACOUSTIQUES, OPTIQUES riques et asymptotiques qui prennent en compte la nature complexe des matériaux, leur non linéarité, l’hétérogénéité, l’anisotropie, la rugosité. Le mot “ondes” est le titre d’une orientationscientifique et technique du Département SPI Les domaines d’applications sont multiples.couverte notamment par les recherches de la Parmi les plus importants, citons le radar dans lessection 08. On y trouve les ondes électromagné- domaines militaire et civil et la compatibilité élec -tiques du domaine micro-ondes, les ondes acous- tromagnétique . Cette expression désigne la prisetiques et l’optique. Les concepts sont largement en compte de l’environnement dans l’analyse descommuns aux trois disciplines, mais les instru- systèmes récepteur/émetteur, rendue indispensablements, les techniques et les sujets de recherche ne par le développement spectaculaire des communi -le sont pas toujours : on leur consacrera donc ici cations dans les domaines centimétrique et milli-des paragraphes séparés. métrique. Cette approche générale de l’interaction ondes-objets conduit à la résolution de problèmes 2. 1 MICRO-ONDES directs et/ou inverses, lesquels sont liés à l’image - rie et au contrôle non destructif. Dans les systèmes obéissant aux lois de l’élec-tromagnétisme, la simulation du fonctionnement Dans les systèmes limités physiquement ,des systèmes permettant d’approcher au mieux on regroupe les circuits et systèmes qui assurent lesla réalité physique, prend en compte les lois différentes fonctions de l’électronique hyperfré-physiques – notamment celles décrites par les quences et de l’optoélectronique, sans oublier leéquations de Maxwell –, les lois de comportement packaging.décrivant les propriétés des solides et des maté-riaux, et la mise en œuvre d’outils numériques avec Dans tous ces circuits, les sujets de recherchepour variable le temps et/ou la fréquence. sont liés à la montée en fréquence et à l’augmenta- tion de la densité d’intégration. 5
  • RAPPORT DE CONJONCTURE 1996 La simulation est une étape indispensable à la Les recherches portent sur la montée en fré-fois pour la conception et la compréhension du quence. Ceci implique la réalisation de peignesfonctionnement de ces circuits. Ainsi sont apparus interdigités par des technologies issues de celles uti-des outils tridimensionnels qui prennent en compte lisées en micro-électronique ainsi que l’élaborationla complexité des éléments et l’environnement de de nouveaux matériaux, comme l’AlN, à fort coeffi-la puce. Ces approches permettent de s’affranchir cient piézo-électrique et aisés à déposer en couchesdes limites des modèles dits équivalents et de la minces.segmentation par bloc, qui ne prend pas en comptel’interaction électromagnétique entre éléments de Les ultrasons et les microtechnologiescircuits. Aujourd’hui, les effets électromagnétiquessont traités conjointement avec les effets ther -miques et mécaniques et avec la physique des Les transducteurs miniaturisés intégrés à ondessemi-conducteurs, ce qui permet d’aborder non de volume ou de surface peuvent être utilisés pourseulement l’analyse, mais également l’optimisation des mesures locales diverses (micropression, micro-multiparamètres des caractéristiques des systèmes. déformation) ou pour la génération d’ondes acous- tiques. Les structures à puits quantiques multiples Entre systèmes ouverts et systèmes limités permettent de moduler les propriétés des milieux.physiquement se trouvent les antennes , qui dansles systèmes modernes de communications ne peu- Les techniques de microscopie acoustique àvent être traitées sans la prise en compte des cir- champ proche nées ces dernières années s’appuientcuits auxquels elles sont couplées. Leur traitement d’une part sur les techniques développées pour lesest ainsi complémentaire de celui des circuits autres microscopies à champ proche et d’autre partmicro-ondes classiques. sur les connaissances propres à la microacoustique classique. Essentiellement basée sur l’excitation Le thème “Électromagnétisme” est très inter- piézo-électrique de pointes, la technique de champdisciplinaire puisqu’il fait appel à des domaines proche nécessite la modélisation et le développe-couverts par d’autres sections (mathématiques, ment de nouveaux capteurs et surtout de nouveauxmatériaux...) et par plusieurs départements scienti- modèles de propagation des ondes élastiques utili-fiques (SPM, Chimie, SPI, SDV,...). sables en dessous de la limite de Rayleigh. Plusieurs modèles de calcul sont envisageables pour étudier le couplage sonde-objet, tous sont très complexes et nécessitent une informatique lourde. L’applica- 2. 2 ONDES ACOUSTIQUES tion à des matériaux fortement absorbants est un débouché prometteur de cet axe de recherche. Ce vaste domaine de recherche peut êtreclassé en trois catégories. Les interactions ultrasons-matièreLes ultrasons dans les dispositifs Avec des capteurs acoustiques pouvant forte-électroniques ment focaliser les ondes, on peut générer et capter des ondes de surface. Les techniques et phéno- La conception et réalisation de ces dispositifs mènes connus sous le vocable de signature acous-utilisent les effets purement acoustiques (filtres, tique V(z), propres aux ultrasons, sont très perfor-résonateurs, etc.), acousto-optiques et acousto-élec- mantes pour caractériser de façon non destructivetroniques (fibres optiques, super-réseaux). Intégrant et locale les propriétés élastiques de la matière etle traitement de signal, ils utilisent surtout la géné- renseigner ainsi sur les contraintes et dommagesration des modes de propagation des ondes de sur- qu’elle subit.face (mode de Rayleigh) ou de plaque (mode deLamb). Si les problèmes directs laissent encore de nombreuses possibilités d’investigations, la résolu-6
  • 08 - ÉLECTRONIQUE, SEMI-CONDUCTEURS, PHOTONIQUE, GÉNIE ÉLECTRIQUEtion des problèmes inverses ouvre un champ - la mise en forme (temporelle) d’impulsions,encore plus vaste et nécessite des outils mathéma-tiques et des approches très diverses et complexes. - la mise en forme (spatiale) de fronts d’onde,Les techniques de l’optique de Fourier et du traite-ment du signal peuvent y être précieuses. - l’imagerie, en particulier sous ses dévelop- pements déclenchés par des apports technolo- Tous ces domaines de recherche permettent giques récents,d’accroître la connaissance sur les matériaux. Ilsouvrent cependant également la voie à des appli- - le traitement, le stockage et la visualisationcations acousto-électroniques et acousto-optiques. d’informations,Ainsi, le contrôle de la cavitation est un enjeu derecherche fondamentale aux applications pratiques - la mesure par voie optique.multiples. Très diversifiées, les fonctions optiques Les ultrasons sont en interaction très forte avec s’appuient ainsi de plus en plus sur la notion deles microtechnologies, tant pour la fabrication de signal optique – on parle désormais de “l’optiquetransducteurs miniaturisés au profit de ces dernières de l’information” comme d’une sous-discipline.que pour leur utilisation dans les micro-actionneurs Dans les six paragraphes de cette présentation deà ultrasons. Les techniques de fabrication collective la conjoncture, la maîtrise des matériaux est unesont à développer. Les moyens de caractérisation préoccupation pratiquement omniprésente, qu’ildes matériaux, des composants et des échantillons s’agisse de semi-conducteurs utilisés par ailleursbiologiques reposent de plus en plus sur les micro- pour des fonctions électroniques ou de matériauxscopies à champ proche, tant pour la résolution élaborés spécifiquement pour des fonctionsatomique que pour l’échelle de la dizaine de nano- optiques.mètres. Optique non linéaire, optique Cependant, la nécessité d’une interprétationsûre des données recueillies engendre un important quantique, optique atomiquetravail de simulation numérique et d’expérimen-tation. L’optique non linéaire prend maintenant une importance pratique dans le développement des réseaux de télécommunications. Les effets paramé- triques sont actuellement utilisables pour l’amplifi- 2. 3 OPTIQUE cation d’images. L’optique quantique permet l’amplification à bruit réduit, les mesures quantiques Issue, voici plusieurs décennies, de la fonction non destructives, le cryptage de l’information.la plus traditionnelle de l’optique, la formation Appliquée depuis longtemps aux particules char-d’images, la notion de “fonctions optiques” s’est gées, l’optique atteint aujourdhui aussi les atomesenrichie par des apports technologiques et concep- neutres où la manipulation des fonctions d’ondestuels au point qu’il convient de préciser son éten- fait apparaître une nouvelle optique physique.due, qui recouvre très largement les préoccupationsdes opticiens de la section 08. Les fonctions Parmi les matériaux étudiés pour l’optiqueoptiques concernent des signaux à une dimension non linéaire figurent les hétérostructures en semi-ou à deux dimensions, parfois davantage, elles sont conducteurs composés, les empilements à accordspatiales ou temporelles, parfois l’un et l’autre. Elles de phase synthétique pour le doublage de longueurincluent : d’onde. Mentionnons aussi les sols-gels et les cris- taux diélectriques et polymères non linéaires ou - l’émission, la modulation, l’amplification et la photoréfractifs.détection de faisceaux lumineux, 7
  • RAPPORT DE CONJONCTURE 1996Optoélectronique et optique guidée tent d’aborder l’imagerie de milieux fortement dif- fusants : ce principe pourrait connaître des applica- Les circuits intégrés associant l’optique guidée tions biologiques et médicales.à l’électronique ont commencé à sortir des labora-toires pour augmenter les performances de sys- La microscopie optique à champ proche, quitèmes industriels. consiste à obtenir une information à partir du cou- plage entre une pointe fine et le champ d’onde éva- Les fonctions de l’optique guidée se dévelop- nescentes à proximité de l’objet étudié, a atteintpent à la fois en optique planaire et dans les fibres : récemment une résolution record de λ/500. Saen peu d’années, les amplificateurs à fibres dopées parenté avec le microscope acoustique à champont bouleversé l’évolution des télécommunications. proche a déjà été soulignée.Le dopage aux ions de terres rares adaptées àdivers domaines de longueurs d’onde font progres- Capteursser lasers et amplificateurs guidés. Le stockage optique d’information progresse Les capteurs biologiques se développent augrâce à l’enregistrement en volume. point que l’on a proposé de parler de “biophoto- nique”. L’interférométrie connaît des perspectives nouvelles : citons le domaine X et les interféro-Sources lasers mètres géants destinés à la détection des ondes de gravitation. Le besoin d’étendre la gamme de fréquencesatteinte par des lasers puissants et compacts justifie Couches minces et micro-optiquede nombreux autres travaux sur l’élaboration dematériaux pour les “microlasers”, qui promettentdes progrès en compacité et en pureté spectrale et La maîtrise de la réflexion et de la transmissionspatiale par rapport aux lasers des décennies pré- des composants optiques par les techniques decédentes. dépôts de couches minces a atteint un niveau remarquable, avec par exemple des pertes rési- Parallèlement, la maîtrise des diodes laser a duelles limitées dans certains cas à un millionième.permis de les utiliser dans des étalons de fréquence Le problème de la synthèse optimisée en continusans renoncer à l’augmentation de leur puissance pendant la croissance reste largement ouvert.émise. Les microcavités optoélectroniques, quiconfinent simultanément les porteurs et la lumière, La modélisation de la diffraction dans desont déjà trouvé une application commerciale pour situations de plus en plus variées et la possibilité del’interconnexion optique entre processeurs. graver des structures de dimensions submicro- niques sur des profondeurs de l’ordre de la lon- gueur d’onde ouvre une nouvelle micro-optique.Procédés nouveaux d’imagerie Des gravures profondes complexes permettent de s’approcher des matériaux synthétiques à gap pho- La qualité de l’imagerie classique a atteint des tonique et de la localisation forte de la lumière,records avec les plus récents objectifs de microli- dont une application est le laser sans seuil.thographie. Mais l’imagerie et la microscopie s’éten-dent à des situations nouvelles : apparition d’achro- Les frontières de l’optiquemats hybrides, c’est-à-dire combinant réfraction etdiffraction. Dans le domaine des rayons X mous, laqualité de surface et l’uniformité des couches Tout découpage a ses limites. Le rapproche-minces permettent désormais de réaliser des ment dans le présent rapport de l’optique et desmiroirs. L’imagerie et l’holographie résolues dans le micro-ondes nous permet de mentionner icitemps à l’aide d’impulsions femtosecondes permet- l’émergence d’une synergie prometteuse : modu-8
  • 08 - ÉLECTRONIQUE, SEMI-CONDUCTEURS, PHOTONIQUE, GÉNIE ÉLECTRIQUElation de faisceaux lumineux à très haute fré- Concernant les isolants et les matériauxquence, détecteurs optiques à ondes progressives, magnétiques, de grands progrès ont pu être réalisésgénération de signaux micro-ondes et test de cir- ces dernières années. En effet, des études expéri-cuits micro-ondes par impulsions lasers. La sépa- mentales de plus en plus performantes ont permisration entre l’optique et l’électronique, en de mieux cerner un grand nombre de phénomènesrevanche, ne devrait pas masquer les interactions physiques. Toutes ces études autorisent maintenantet sujets d’intérêt communs entre ces deux disci- un travail de modélisation de plus en plus fin deplines : on a vu ci-dessus qu’ils concernent les ces phénomènes afin de pouvoir mieux adapter cesmatériaux, composants et systèmes optoélectro- matériaux aux exigences nouvelles des concepteursniques, l’ensemble des télécommunications de composants et de systèmes. En effet, des progrèsoptiques, le traitement optoélectronique du signal, considérables ont été réalisés ces dernières annéesla métrologie des temps et des fréquences. dans les méthodes de conception visant des critères simples de performances intrinsèques des systèmes La diversité de l’optique, illustrée ci-dessus à (rendement ou puissance massique optimaux, parla lumière des fonctions optiques, s’étend encore exemple), et la demande industrielle tend mainte-au-delà et dépasse largement les limites de la sec- nant vers un ensemble complexe de critères pre-tion 08. Nous avons mentionné ci-dessus les thèmes nant en compte des considérations de maintenancepropres de la section 08 et aussi certains sujets qui prédictive, de sûreté ou de fiabilité de fonctionne-en sont proches, mais qui sont traités plus extensi- ment, de compatibilité électromagnétique ouvement par d’autres sections ; dans quatre départe- encore de possibilité de recyclage.ments scientifiques du CNRS au moins (SPI, SPM,SDU et Chimie), on trouve des chercheurs dont Les études sur les semi-conducteurs ont prin-l’activité principale se rattache à l’optique. cipalement porté sur les composants de puissance assurant des fonctions de commutation dans les convertisseurs électroniques, avec notamment d’excellents résultats pour les transistors bipolaires à grille isolée ; les études entreprises dans le 3 - GÉNIE ÉLECTRIQUE domaine de l’intégration en électronique de puis- sance pour gagner encore en performance, en ten- sion et en fréquence de commutation confirment Les activités de recherches dans le domaine les besoins dans ce domaine stratégique. Pardu génie électrique peuvent être regroupées dans ailleurs, des résultats prometteurs ont été obtenusquatre thématiques intercorrélées. Celles-ci sont sur les composants électroniques à haute tempéra-relatives aux études des matériaux, des compo- ture de jonction (SiC).sants, des systèmes et, enfin, de modélisation et deconception. Signalons aussi qu’il s’avère de plus en Dans le domaine des matériaux supracon -plus important d’imbriquer ces thèmes aux pro- ducteurs, même si les applications ne se sont pasblèmes d’environnement et de société. hissées à la hauteur espérée, on assiste toujours à une activité de recherche soutenue. Les domaines de recherche examinés par lasection 08 ne sont que très partiellement concernés Bien que leur utilisation ait progressé ces der-par l’élaboration des matériaux ; par contre, la nières années, les matériaux composites présententcaractérisation, la modélisation, l’adaptation et encore un très fort potentiel d’application, et leurla mise en œuvre constituent des thèmes majeurs. élaboration commence à donner lieu à des colla-Les matériaux concernés sont principalement les borations interdisciplinaires.isolants liquides ou solides, les matériaux magné-tiques, les semi-conducteurs, les supraconducteurs Enfin, les matériaux “d’interfaces” concernent(BTc et HTc), les matériaux composites et enfin les surtout les applications à la connectique, auxmatériaux dit “d’interfaces”. contacts électriques et aux interactions arc-élec- trodes, avec une demande industrielle soutenue. 9
  • RAPPORT DE CONJONCTURE 1996 Dans le domaine des actionneurs et convertis- Dans le domaine des systèmes, on s’est inté-seurs au sens large, les progrès ont porté simulta- ressé d’une part aux problèmes internes, d’autrenément sur la modélisation, les structures et la com- part, à leur environnement. C’est ainsi que lesmande. En modélisation, on a assisté à la réseaux d’énergie électrique ont vu se généralisergénéralisation des outils de calcul de champs tridi- les techniques numériques en contrôle et com-mensionnels, associée à la prise en compte des mande, et les premières mises en œuvre de sys-interactions externes, qui débouche sur les phéno- tèmes experts ; et le besoin croissant de qualité demères couplés. Après l’analyse développée dans le l’énergie a impulsé les recherches sur les filtrespassé, des outils de conception deviennent opéra- actifs, les parafoudres ZnO, les matériaux synthé-tionnels progressivement : ils utilisent de nom- tiques et les limiteurs de courant. Quant aux inter-breuses méthodes, techniques, algorithmes, élabo- actions avec l’environnement – dont l’étude est ren-rés dans des disciplines voisines, en les adaptant au due nécessaire par la susceptibilité grandissante desdomaine du génie électrique. récepteurs électriques, tant grand public qu’indus- triels, ou bien par la montée en fréquence des sys- Une grande variété de structures, mieux adap- tèmes de puissance –, elles ont suscité un volumetées à chaque application, a été rendue possible par important de recherches (CEM, foudre, effets biolo-la généralisation des aimants à hautes performances. giques...), théoriques et expérimentales, et sontPar ailleurs, les microtechnologies ont commencé à pleinement d’actualité.aboutir à des microactionneurs opérationnels. De ce bilan succinct, on dégagera des ten- Les convertisseurs d’électronique de puissance dances ou caractéristiques communes aux thèmesont formidablement bénéficié de l’avènement de de recherche actuels en génie électrique, où l’ana-l’IGBT, qui a permis simultanément les hautes fré- lyse fait place de plus en plus à la maîtrise des phé-quences et la grande puissance. C’est ainsi que l’on nomènes et aux outils de conception des systèmes.commence à prendre en compte, à la conception Au-delà des limites traditionnelles, une pluri- oudu convertisseur, un nombre de fonctions de plus multi-disciplinarité est de rigueur, allant des sys-en plus complexes telles que la pollution électro- tèmes experts aux matériaux, sur un très largemagnétique, la gestion de l’énergie ou la sûreté de spectre de fréquences.fonctionnement. Pour résoudre ces problèmes crééspar des interactions fortes, il faut d’une part amé- La fiabilité des équipements est devenue uneliorer les modèles, ensuite concevoir et implanter priorité majeure, et les travaux dans ce domaine sontdes commandes plus performantes, enfin intégrer en plein essor. Enfin, la généralisation des applica-commande et puissance : ces travaux sont tions grand public a induit la prise en considérationaujourd’hui en plein développement. des perturbations électromagnétiques, a entraîné la minimisation des coûts, et motive fortement les tech- nologies pour leur intégration fonctionnelle.Glossaire des sigles employésASIC : Application Specific Integrated Circuit (circuit sur HTc : Haute Température critique demande) IGBT : Isolated Gate Bipolar Transistor (transistor bipolaire àBTc : Basse température critique grille isolée)CEM : Compatibilité Électro-Magnétique MESFET : Metal Semiconductor Field Effect TransistorCMOS : Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (filières à (transistor à effet de champ métal semiconducteur) transistors MOS complémentaires) MMIC : Monolithic Microwave Integrated Circuit (circuit intégréDFB : Distributed Feed Back (contre réaction distribuée) à microondes monolithique)fc : Fréquence de coupure MOS : Métal-Oxyde-SemiconducteurfT ou ft : Fréquence de transition MSM : Métal-Semiconducteur-MétalHEMT : Hight Electron Mobility Transistor (transistor à mobilité PIN : (diode) P type-Intrinsèque-N type électronique élevée) TMOS : Transistor Métal-Oxyde-Semiconducteur10