Germanium : le retour

- Remarquées par les pionniers de l'électronique, les propriétés du germanium, un temps occultées par celles du silicium, suscitent à nouveau l'intérêt pour les prochaines générations de circuits intégrés.
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Le germanium serait-il l'avenir du silicium ? Si l'on en croit plusieurs grands noms de la microélectronique (IBM, Soitec, le Leti ou l'Imec, entre autres), cette hypothèse n'est pas aussi absurde qu'elle en a l'air. Certes, si l'on considère l'immensité des efforts scientifiques et financiers consacrés depuis des décennies à l'étude du silicium, on peut se demander ce qui, à ce stade, pourrait bien pousser les industriels à aller voir ailleurs. Mais si l'on s'en tient aux propriétés physiques du germanium, et plus particulièrement à la mobilité des charges électriques au sein de ce matériau (en gros trois fois supérieure à celle observée sur le silicium, pour les électrons, et même quatre fois, pour les trous), alors tout s'éclaire.

Le germanium n'est d'ailleurs pas ce qu'on pourrait appeler un nouveau venu. C'est même grâce à lui que Brattain et Bardeen, en 1947, ont pour la première fois observé l'effet dit "transistor". Comme référence, on a vu pire ! Jusque dans les années 1970, c'est-à-dire bien après les débuts du transistor en silicium (en 1954) et même après ceux du circuit intégré (en 1958), les transistors en germanium n'ont pas démérité. Du fait de leur rapidité, ils sont longtemps restés irremplaçables dans la section réception des téléviseurs. De même, en puissance, ils ont résisté un certain temps face au silicium. En fait, ce sont leurs médiocres performances en matière de courants de fuite et de tenue en température qui ont entraîné leur disparition. Sans parler des difficultés rencontrées pour la réalisation des couches diélectriques, étape capitale lorsque l'on veut intégrer des transistors dans un circuit monolithique.

Aujourd'hui, ce discours apparaît bel et bien dépassé. Le changement s'est opéré il y a une dizaine d'années, lorsqu'on s'est aperçu que le germanium améliorait grandement la vitesse des transistors en silicium lorsqu'il était utilisé à titre "d'additif". En dépit de la différence de taille de leurs atomes, les deux métalloïdes présentent en effet des structures cristallines similaires et par conséquent compatibles en fabrication. C'était la naissance du silicium-germanium (SiGe), commercialisé depuis environ cinq ans et considéré depuis comme un très sérieux concurrent de l'arséniure de gallium.

La recherche s'active

Récemment, aux États-Unis, cette ébauche de réhabilitation s'est vue renforcée par l'annonce d'un programme de recherche sur les "dispositifs électroniques du futur", programme citant explicitement les transistors Mos en germanium.

Animé par le professeur Krishna Saraswat, de l'université de Stanford (États-Unis), ce projet a reçu le soutien de la Darpa (Defense Advanced Research Projects Agency) et du Massachusetts Institute of Technology (MIT). Rien que du beau monde...

Pour couronner le tout, en Europe, l'Imec (Inter-university microelectronics center, Belgique), Umicore (fournisseur de matériaux) et Soitec (fabricant de wafers), ont dévoilé cet été leur ambition commune de « relever les défis de la conception des circuits gravés en deçà de 45 nanomètres », cela en misant précisément sur les mérites du germanium.

Pour la génération 32 nm

Comment en est-on arrivé à un tel retournement de situation ? De façon assez curieuse en réalité. Car, indépendamment de ses caractéristiques avantageuses, l'intérêt que les industriels portent aujourd'hui au germanium s'explique pour l'essentiel par l'émergence de deux technologies n'ayant a priori pas grand-chose à voir avec lui : le SOI (silicium sur isolant), d'une part, et le "silicium contraint" (strained silicon en anglais), d'autre part.

Pour ce dernier, la contrainte dont il est question, fort bénéfique au demeurant sur la fréquence de fonctionnement, est celle que subit un réseau de silicium cherchant à s'aligner géométriquement sur un réseau de SiGe avec lequel il est en contact. Le niveau de cette contrainte, et donc les améliorations de performances qui en découlent, dépend du pourcentage de germanium de la sous-couche : à 20 %, le gain est par exemple de 100 % sur la mobilité des électrons et de 10 % sur celle des trous.

Le procédé SOI, pour sa part, consiste à séparer au moyen d'un isolant de haute qualité la partie fonctionnelle des wafers (quelques centaines d'angströms tout au plus) du reste de la plaque, laquelle ne joue plus alors qu'un simple rôle de support mécanique. Il en résulte une amélioration significative de la vitesse (+ 25 à 35 %) et de la consommation (- 40 à 50 %, grâce à la diminution des fuites dans le substrat).

Quel rapport avec le germanium ? En associant ces deux procédés, c'est-à-dire en isolant le silicium contraint lui-même placé sur du SiGe, on devrait en toute logique aboutir à un produit vraiment excellent du double point de vue de la consommation et de la vitesse : c'est précisément ce qu'a réalisé Soitec, il y a quelque mois, dans le cadre d'une collaboration avec le fabricant de réacteurs d'épitaxie ASM.

« Mis au point pour les puces de la génération 65 nm, qui devrait normalement entrer en production chez les fondeurs en 2007, ce produit, baptisé SGOI, a d'ores et déjà été livré à titre d'échantillon chez certains de nos clients », révèle André Auberton-Hervé, président de la société. Selon lui, le SGOI n'est d'ailleurs qu'une étape dans la remise en selle du germanium, la prochaine, prévue pour la génération 32 nm, étant l'entrée en scène du GeOI, autrement dit du germanium sur isolant.

Le silicium réduit à un rôle de support ?

Déjà expérimenté par l'américain Silicon Genesis, le GeOI sera en principe le matériau idéal pour profiter de tous les avantages du germanium sans en subir les inconvénients : courant de fuite, comme nous l'avons déjà dit, mais aussi coût (environ cinq fois celui du silicium). L'une des particularités des technologies "matériau sur isolant" est en effet de ne mettre en oeuvre qu'une infime quantité dudit matériau.

Reste toutefois l'épineux problème de la réalisation des diélectriques au sein même des puces. Car autant le SiO2 était parfait avec le silicium, autant la qualité du GeO2, son pendant pour le germanium, déçoit. Heureusement, les chimistes ont là encore trouvé la parade, avec ce qu'ils appellent dans leur jargon les diélectriques à haute permittivité ("high k"). Développés à l'origine pour remplacer la silice, ils font aussi preuve d'une excellente compatibilité avec le germanium. Ouf !

Alors, en fin de compte, le germanium sera-t-il capable de réémerger ? Les chercheurs estiment ce retour possible mais les stratèges de l'industrie, eux, s'interrogent. Comment les usines s'y prendront-elles pour basculer du tout silicium au germanium en préservant l'investissement matériel (c'est l'un des aspects du programme Imec-Soitec-Umicore) ? Ces usines pourront-elles s'approvisionner en germanium de façon satisfaisante à la fois en qualité et en quantité ? Ou encore : la conception des transistors, et des fonctions électroniques en général, sera-t-elle transposable aisément du silicium au germanium ? Réponses dans cinq à dix ans.

POUR EN SAVOIR PLUS

Retrouvez un point complet sur les programmes de recherche concernant le germanium sur notre site www.industrie-technologies.com/plus

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