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Le III-V Lab, berceau de l’électronique stratégique

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Ce labo, unique en France, développe des composants électroniques à semiconducteurs III-V, stratégiques pour les équipementiers européens des télécoms, de l’aérospatial ou de la sécurité… Un domaine maîtrisé par une poignée d’acteurs dans le monde.

Le III-V Lab, berceau de l’électronique stratégique
Le III-V Lab est un des avant-postes de la filière européenne des nouveaux semiconducteurs.

Des salles blanches de classe 10 000, des opérateurs habillés en bleu, des aires de lithographie sous lumière jaune, des photorépéteurs signés Canon... L’unité de production de 700 m2 du III-V Lab, à Marcoussis (Essonne), ressemble à n’importe quelle usine de microélectronique. Mais ici, il n’est nullement question de silicium. On est dans le temple français des semiconducteurs III-V. Des matériaux à la base de l’électronique avancée que seule une poignée d’acteurs dans le monde maîtrise.

Créé en 2004 par Alcatel et Thales, rejoints en 2010 par le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies renouvelables (CEA), le III-V Lab constitue, avec l’institut Fraunhofer IAF de Fribourg (Allemagne), l’avant-poste de la filière européenne des semiconducteurs III-V. "Il assure l’accès à une source indépendante en Europe de composants électroniques stratégiques aux équipementiers européens des télécoms, de la défense, de l’aérospatial et de la sécurité", estime Bertrand Demotes-Mainard, le vice-président chargé des technologies hardware chez Thales.

"Les composants clés du radar à balayage électronique du Rafale, le seul avion de chasse non américain dans le monde à disposer d’un tel équipement, ont été créés au III-V Lab, témoigne François Luc, le directeur du laboratoire. Tout comme ceux qui ont permis à Alcatel-Lucent d’atteindre le record mondial de transmission optique à longue distance de 1 térabit par seconde."

Oublié l’arséniure de gallium, banalisé dans les composants radio des téléphones mobiles. L’heure est au nitrure de gallium, étudié pour les circuits de communication à haute fréquence. "Nous allons gagner un facteur cinq en amplification de puissance, assure François Luc. Et passer d’un système de la taille d’une boîte de chaussures à un simple composant. De quoi mettre les fonctions de radar et d’antenne à la portée des drones."

 

Au-delà des besoins du spatial

La loi de Moore, qui prévoit le doublement de la densité des circuits intégrés en silicium tous les deux ans, est ici inopérante. "La progression suit plutôt la loi de “more than Moore”, qui consiste à intégrer dans le circuit de communication radio des périphériques comme les interfaces d’entrée-sortie ou l’antenne", explique le patron du laboratoire. L’autre axe de développement est l’augmentation de la vitesse de communication, et donc de la fréquence. "De 5 à 10 GHz il y a cinq ans, nous sommes passés à 40 GHz et visons les 100 GHz", précise-t-il. La portée des travaux va au-delà des besoins pointus de l’aérospatial ou du militaire. Elle concerne aussi la prochaine génération de mobiles 5 G.

L’autre semiconducteur III-V à l’étude est le phosphure d’indium. Il est utilisé pour les composants photoniques à destination des télécoms, comme les diodes laser, les amplificateurs optiques ou les photodétecteurs rapides. Le travail vise en particulier le développement de lasers accordables en longueur d’onde grâce au contrôle de l’amplitude et de la phase, mais aussi de la couleur de la lumière qu’il émet. Cette innovation a rendu possible le record de transmission optique d’Alcatel-Lucent.

 

Miniaturisation à l’œuvre

Un GIE à trois

  • Création  2004
  • Acteurs Alcatel-Lucent (40%), Thales (40%), CEA (20%)
  • Effectif  165 personnes sur 3 sites (Marcoussis, Palaiseau et Grenoble)
  • Budget annuel  30 millions d’euros
Mais ici, plus question d’ignorer le silicium. L’avenir est au mariage des deux semiconducteurs. L’objectif est de baisser les coûts en intégrant aux côtés des éléments photoniques des fonctions de guide d’onde et de traitement de signal en silicium. Car le phosphure d’indium est dix fois plus cher au centimètre carré que le silicium, selon François Luc. C’est pourquoi le CEA-Leti, qui dispose, à Grenoble (Isère), d’une expertise dans les circuits en silicium, a rejoint en 2010 le III-V Lab. Parmi les fruits de ce rapprochement figure un prototype de laser à longueur d’onde accordable pour transmissions optiques à longues distances. "Ce composant intègre une source laser en phosphure d’indium et des fonctions de modulation et contrôle en silicium. Il remplace les solutions sous forme d’une carte électronique", confie François Luc. La miniaturisation à l’œuvre dans les circuits intégrés en silicium arrive donc, par des chemins détournés, dans les semiconducteurs III-V. Mais au lieu de se dérouler tous les deux ans, les sauts ont lieu au rythme de quinze à vingt ans.

Dans la salle blanche, le laboratoire dispose de la capacité d’élaborer les matériaux, de réaliser des composants, de les tester et de les fabriquer en petits volumes lors de la phase d’amorçage commercial. "Nous pouvons monter en production jusqu’à 50 plaques par an et par produit", note François Luc, sachant qu’une plaque de deux pouces comporte jusqu’à quelques milliers de diodes laser. Pour le passage à de plus gros volumes, les technologies sont transférées à trois industriels : 3SPhotonics, à Nozay (Essonne), Sofradir, un joint-venture entre Sagem et Thales, à Veurey-Voroise (Isère) et UMS, une co-entreprise entre EADS et Thales, à Villebon-sur-Yvette (Essonne). 

Les semiconducteurs III-V c’est quoi

Le silicium, qui figure dans la quatrième colonne du tableau de classification périodique de Mendeleïev, est le semiconducteur le plus banalisé. Il convient aux composants électroniques courants comme les mémoires, les processeurs ou les Mems. Mais pas aux composants optoélectroniques (LED, diodes laser…), aux détecteurs à infrarouge ou aux circuits à radiofréquences rapides.

Pour ces composants avancés, il faut passer par des semiconducteurs III-V. Ce sont des composés combinant un élément de la troisième colonne (gallium, aluminium…) et un de la cinquième colonne (arsenic, azote, phosphore…) du tableau. Plus rares que le silicium, ils sont aussi plus complexes à mettre en œuvre. Car il faut maîtriser leur dépôt en couches à l’échelle atomique avec une extrême pureté. D’où leur coût élevé. D’autant qu’ils s’appuient sur des substrats jusqu’à six fois plus petits que le silicium. 

Les autres spécialistes

Institut Fraunhofer IAF
Allemagne

Effectif 280 personnes
Budget R & D  30 millions d’euros

L’institut travaille sur les circuits de communication sans fil, les composants radio à forte puissance, les composants optoélectroniques, les détecteurs à infrarouge à haute résolution et les nanocapteurs moléculaires. Parmi les industriels à bénéficier de ses travaux figure UMS, à Ulm (Allemagne).

Triquint

États-Unis

Effectif 3 000 personnes
CA  890 millions de dollars (2013)

C’est l’un des deux grands spécialistes américains dans le secteur aux côtés de RF Micro Devices. Il réalise des composants radio en arséniure de gallium et en nitrure de gallium pour les télécoms, l’aérospatial et la défense. En 2002, il a racheté l’activité d’arséniure de gallium de l’allemand Infineon.

Sumitomo

Japon

Effectif  206 000 personnes
CA  22,9 milliards de dollars (2013)

Ce géant travaille sur l’arséniure de gallium et le phosphure d’indium pour composants radio rapides, les LED et les diodes laser. Il consacre près de 50 millions de dollars à la R & D en électronique qui comprend aussi les matériaux pour circuits imprimés. On lui doit l’invention en 2009 de diode laser verte à 530 nm.

WIN Semiconductors

Taïwan

Effectif  1 400 personnes
CA  345 millions de dollars (2013)

C’est l’un des rares fondeurs dans le monde spécialisé sur les semi-conducteurs III-V. Il fabrique en sous-traitance deux types de circuits intégrés en arséniure de gallium : des circuits micro-ondes MMIC et des circuits radiofréquences RFIC. La production s’appuie sur des plaques en silicium de 6 pouces.

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