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Superpuce de Motorola
Allongé sur la plage lors de vacances sur la côte espagnole en 1999, le physicien Jamal Ramdani a eu une révélation. Alors que le sable se conformait aux contours de son corps, Ramdani, un chercheur de Motorola Labs à Tempe, AZ, a soudainement envisagé une solution à un casse-tête qui avait rendu perplexe l'industrie des semi-conducteurs pendant 30 ans : comment combiner du silicium bon marché avec une vitesse élevée, des matériaux semi-conducteurs émettant de la lumière mais beaucoup plus chers comme l'arséniure de gallium, le tout sur une seule plaquette.
Étant donné que les matériaux ne correspondent pas physiquement, il était pratiquement impossible de les superposer pour produire une puce aux propriétés électroniques et optiques optimales. C'est peut-être le sable de cette plage espagnole, qui est fait du même minéral à partir duquel les plaquettes de silicium sont dérivées, qui a fourni à Ramdani l'indice essentiel. En tout cas, se souvient Ramdani, je suis revenu à Phoenix, j'ai emprunté une machine pour faire pousser des semi-conducteurs composés, et en deux ou trois plans, nous avions de l'arséniure de gallium posé sur du silicium.
Les avantages de la fonctionnalité de l'arséniure de gallium, en particulier ses capacités à gérer les communications sans fil et à émettre de la lumière sur une puce de silicium peu coûteuse, n'ont pas échappé aux dirigeants de Motorola. Les puces hautes performances fabriquées à partir d'arséniure de gallium et d'autres semi-conducteurs dits composés sont largement utilisées dans tout, des téléphones portables aux commutateurs des réseaux de communication optiques. À tout le moins, l'invention de Ramdani pourrait signifier le remplacement de ces puces coûteuses par des puces beaucoup moins chères à l'arséniure de gallium sur silicium. Au cours des deux années qui ont suivi la percée de Ramdani, Motorola a déposé plus de 300 brevets sur la technologie ; l'automne dernier, la société a utilisé la méthode de Ramdani pour construire des prototypes de puces pour amplifier les signaux dans les téléphones portables. Pour commercialiser le nouveau matériau, Motorola a lancé une filiale en propriété exclusive, Thinkbeam, à Austin, TX, promettant que les nouveaux matériaux se retrouveront dans les appareils électroniques et optiques au cours des deux prochaines années.
L'impact de la technologie des puces de Motorola pourrait aller bien au-delà des téléphones portables ou des appareils optiques moins chers. Aujourd'hui, si vous voulez un microprocesseur rapide et peu coûteux, vous avez besoin d'une puce en silicium ; si vous voulez qu'une puce gère des fonctions optiques ou des signaux radio haute fréquence, vous avez besoin de semi-conducteurs composés comme l'arséniure de gallium ou le phosphure d'indium. Par conséquent, les équipements tels que les téléphones portables et les commutateurs de réseau de communication nécessitent plusieurs dispositifs à semi-conducteurs. A terme, prédisent certains experts, la technologie Motorola pourrait permettre d'intégrer les fonctions de l'arséniure de gallium et du silicium sur une même puce, en utilisant chacun des matériaux pour ce qu'il fait le mieux. Le résultat serait une superpuce. Au lieu d'avoir plusieurs puces dans un lecteur DVD effectuant différentes tâches - générant de la lumière pour lire le disque, captant les entrées des téléspectateurs, décodant les données numériques en images et en son - une seule puce pourrait tout gérer.
L'industrie des semi-conducteurs rêve d'une telle superpuce depuis des décennies et un certain nombre de chercheurs poursuivent activement ce rêve. Par exemple, Eugene Fitzgerald, un scientifique des matériaux au MIT, travaille sur le problème depuis plus d'une décennie et a publié des descriptions de sa propre technique de culture d'arséniure de gallium sur du silicium. Lui et de nombreux autres sceptiques se demandent si la technologie Motorola se révélera être un grand chelem. Toutes les quelques années, il y a une soi-disant solution, mais à y regarder de plus près, vous voyez que ce n'en est pas une du tout, dit Fitzgerald.
D'autres, cependant, sont tellement impressionnés par le potentiel de la percée de Ramdani qu'ils pensent que la technologie pourrait changer fondamentalement la dynamique de l'activité de fabrication de puces, comblant enfin le fossé des matériaux entre le silicium et les semi-conducteurs composés qui est devenu un fait fondamental dans l'industrie. Selon Steve Cullen, directeur et analyste principal des services de recherche sur les semi-conducteurs chez Cahners In-Stat Group, l'avancée de Motorola pourrait entrer dans l'histoire comme un tournant majeur pour l'industrie des semi-conducteurs.
Les cousins de Silicon
Le silicium est le matériau de choix pour la grande majorité des puces utilisées dans les applications de microprocesseur ; il est facile à manipuler et les fabricants ont appris à y intégrer les minuscules circuits qui rendent possibles les ordinateurs rapides et peu coûteux d'aujourd'hui. Mais malgré toute sa célébrité, le silicium ne peut pas égaler les capacités sans fil et optiques de semi-conducteurs plus chers comme l'arséniure de gallium et le phosphure d'indium.
Ces matériaux sont appelés semi-conducteurs composés car leurs cristaux, contrairement au silicium, sont composés de plusieurs éléments. Cette composition plus complexe leur confère souvent des traits physiques désirables. Par exemple, comme les électrons se déplacent plus rapidement dans de nombreux semi-conducteurs composés, les matériaux peuvent traiter des signaux radio à haute fréquence et donc de plus grandes quantités de données, ce qui est exactement ce dont vous avez besoin si vous voulez, par exemple, des appareils sans fil portables pouvant recevoir des flux vidéo continus. .
Et contrairement au silicium, bon nombre de ces semi-conducteurs composés peuvent émettre des faisceaux de lumière lorsqu'ils sont alimentés avec juste un peu de courant électrique. Cela rend possible les lasers à semi-conducteurs qui peuvent lire les petits morceaux d'informations densément emballés sur un CD ou un DVD. Les réseaux de communication optique à grande vitesse reposent également sur des semi-conducteurs composés pour convertir les informations optiques en informations électroniques, et vice versa, aux milliers d'endroits où les fibres optiques rencontrent les commutateurs électroniques et les ordinateurs.
Cependant, la même complexité qui rend les semi-conducteurs composés si utiles les rend également fragiles, difficiles à synthétiser, difficiles à intégrer avec d'autres matériaux et très coûteux. À l'heure actuelle, une plaquette d'arséniure de gallium de 15 centimètres coûte environ 300 $, tandis qu'une plaquette de silicium de 20 centimètres peut coûter environ un dixième autant. La percée de Ramdani implique un moyen de déposer une patine d'arséniure de gallium sur une plaquette de silicium standard. La couche supérieure d'arséniure de gallium offre toutes les capacités uniques de ce matériau, mais le placer sur un substrat de silicium le rend beaucoup plus facile à manipuler et moins coûteux à fabriquer.
À première vue, la procédure semble à peu près aussi simple que d'étaler du beurre de cacahuète sur une tranche de pain. Mais en pratique, c'est beaucoup plus compliqué. Le problème fondamental, explique Fitzgerald, est que les structures cristallines sous-jacentes du silicium et de l'arséniure de gallium sont si différentes que la superposition des couches équivaut à empiler des pamplemousses sur un lit d'oranges. Vous obtenez des inadaptés et des espaces supplémentaires, dit Fitzgerald. Ces défauts dans le cristal ont tendance à accrocher des électrons, perturbant les fonctions des dispositifs semi-conducteurs.
Jusqu'à présent, le problème de l'inadéquation a vaincu à peu près tous ceux qui ont déjà tenté de fabriquer des plaquettes d'arséniure de gallium sur silicium. Cela aide à expliquer pourquoi de nombreux chercheurs d'entreprises comme IBM et la startup de technologie des semi-conducteurs AmberWave Systems de Salem, NH, poursuivent une approche alternative aux semi-conducteurs plus polyvalents et plus puissants : peaufiner le silicium pour qu'il se comporte davantage comme ses cousins plus sophistiqués. De cette façon, ils obtiennent les avantages financiers de l'utilisation de l'infrastructure de la technologie de fabrication du silicium vieille de 50 ans tout en se rapprochant des performances des semi-conducteurs composés.
AmberWave Systems, cofondé par Fitzgerald du MIT, a développé une forme de cristal de silicium tendu dans lequel les électrons se déplacent plus rapidement que dans le silicium ordinaire. Le matériau permet des transistors plus rapides, ce qui signifie, par exemple, des processeurs de signaux radio à haute fréquence. Les chercheurs font croître une couche d'un alliage silicium-germanium sur une plaquette de silicium, puis recouvrent l'alliage d'une fine couche de silicium. Parce que les distances entre les atomes dans le cristal de silicium-germanium sont plus longues que dans le silicium, les atomes de silicium dans la couche supérieure doivent s'étirer afin de correspondre aux espaces entre les atomes dans le silicium-germanium ci-dessous. Lorsque les atomes de silicium sont plus éloignés les uns des autres, les électrons se déplacent plus librement, donc plus rapidement.
En fait, ce peu d'ingénierie cristalline a produit des échantillons dans lesquels les électrons se déplacent jusqu'à 80 % plus rapidement que dans les tranches de silicium ordinaires. Au cours de la prochaine année, AmberWave espère voir des appareils fabriqués à partir de ce matériau arriver sur le marché, par exemple des microprocesseurs ou des puces d'amplification de signal dans les téléphones portables.
Superpuce Ingrédients
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| Les chercheurs de Motorola rêvent de fabriquer un jour des puces polyvalentes (ci-dessus) avec des dispositifs optiques et sans fil embarqués en arséniure de gallium et un microprocesseur taillé dans le substrat de silicium exposé. L'entreprise espère réaliser ce rêve avec sa nouvelle technologie. Une couche interne, composée de dioxyde de silicium et de titanate de strontium, fournit un pont moléculaire entre les différentes tailles de cristaux de silicium et d'arséniure de gallium. (Illustration par Slim Films) Visions de vacances Ajuster le silicium pourrait le rendre plus rapide, mais pour les capacités optiques, vous avez toujours besoin de semi-conducteurs composés. Alors qu'un certain nombre de chercheurs tentent de développer des semi-conducteurs composés sur silicium, Motorola pense avoir une longueur d'avance dans la course à la commercialisation de la technologie, grâce à Ramdani et à l'infrastructure de fabrication et de commercialisation bien établie de l'entreprise. L'histoire de la percée de Ramdani commence en fait au moins un an avant ses vacances fatidiques en Espagne. Ramdani faisait partie d'un groupe de recherche de Motorola essayant de fabriquer du silicium plus rapidement lorsqu'il a fait une découverte accidentelle qui conduirait au projet d'arséniure de gallium sur silicium. À cette époque, lui et ses collègues se concentraient sur la fine couche vitreuse de dioxyde de silicium qui se forme au-dessus du silicium lorsqu'elle est exposée à l'oxygène pendant le traitement de la puce. Cette couche, appelée diélectrique, est un composant essentiel de la puce car elle permet à un transistor de contrôler l'état électrique d'un autre tout en empêchant les électrons de fuir entre eux. Mais à mesure que les transistors deviennent plus petits et que cette couche s'amincit, elle devient plus sujette aux fuites d'électrons. Pour résoudre ce problème, Ramdani et ses collègues Ravi Droopad et Jimmy Yu expérimentaient une alternative au dioxyde de silicium - titanate de strontium - qui pourrait améliorer les performances des puces à base de silicium. Pourtant, alors que les chercheurs de Motorola déposaient l'équivalent d'un souffle d'abeille de titanate de strontium sur une surface de silicium, une couche intermédiaire de dioxyde de silicium s'est formée. C'était comme recouvrir par inadvertance une fenêtre d'une couche de peinture noire alors que tout ce que vous vouliez faire était de la teinter légèrement. Et puis, Ramdani a visité cette plage espagnole. En se relaxant sur le sable, il s'est rendu compte que la couche de dioxyde de silicium, avec le titanate de strontium, pourrait servir un objectif bien plus vaste qu'il ne l'avait imaginé à l'origine : des couches intermédiaires qui, lorsqu'elles sont prises en sandwich entre le silicium et l'arséniure de gallium, pourraient réconcilier le décalage cristallin entre les deux semi-conducteurs. En effet, les distances entre les atomes du titanate de strontium, lorsqu'elles se trouvent au-dessus de la couche de dioxyde de silicium qui se forme en dessous, sont plus longues que celles du silicium mais plus courtes que celles de l'arséniure de gallium. En fait, c'est le dioxyde de silicium qui provoque la relaxation complète des atomes du titanate de strontium et prend une configuration plus conforme à celle des atomes d'arséniure de gallium ci-dessus. Quelques jours après son retour de vacances, Ramdani et son équipe d'ingénieurs ont réussi à faire pousser de l'arséniure de gallium sur du silicium en utilisant ces couches intermédiaires. (voir Ingrédients Superchip ) . Intérêt composé Alors que les chercheurs de Motorola affinent leur technologie au cours des années à venir et apprennent à développer d'autres semi-conducteurs composés au-dessus du silicium, les applications potentielles du matériau devraient continuer à se développer. Comme Ramdani et ses collègues le voient, le même type de couche interne qu'ils utilisent pour marier l'arséniure de gallium au silicium pourrait être utilisé pour faire croître du phosphure d'indium ou un certain nombre d'autres semi-conducteurs composés hautes performances sur le même substrat de silicium peu coûteux. Chacun de ces semi-conducteurs composés a sa propre personnalité, sa propre vitesse et ses propriétés d'émission de lumière. Une telle technologie pourrait également conduire à de nouveaux types d'appareils ou d'applications qui n'étaient auparavant pas rentables. Des sources bon marché de puces hautes performances, par exemple, pourraient permettre aux concepteurs d'ajouter plus facilement des communications sans fil aux appareils électroménagers et de les connecter à Internet. Les visions de machines à laver communiquant directement avec les centres de service lorsqu'elles sont en panne ou de réfrigérateurs qui appellent les commandes de nourriture au supermarché pourraient devenir moins chères à réaliser, voire plus souhaitables. Des puces émettant de la lumière et détectant la lumière plus abordables pourraient changer l'économie des liaisons à fibres optiques pour connecter directement des ordinateurs personnels, des caméras vidéo et d'autres gadgets domestiques à Internet. Au-delà de cela, les fabricants de puces comme Motorola et AmberWave Systems partagent le même rêve technologique à plus long terme, une plaquette tout-en-un. Dans cette vision, les semi-conducteurs composés ne sont pas simplement superposés sur un substrat de silicium, mais les différents semi-conducteurs sont intégrés ensemble sur la puce. Si nous pouvons faire pousser un film mince d'arséniure de gallium sur des plaquettes de silicium, alors peut-être que nous pourrons faire pousser sélectivement des îlots d'arséniure de gallium sur du silicium, déclare Charles Huang, cofondateur et directeur technique d'Anadigics, une entreprise de fabrication de puces basée à Warren, NJ. . Chaque île aurait sa propre fonction, par exemple envoyer et recevoir des messages sans fil ou transmettre des données optiquement au monde extérieur. Pourtant, la majorité du silicium serait disponible pour effectuer le calcul ou le stockage des données. De telles puces polyvalentes seraient, par exemple, capables de faire circuler les données autour d'un microprocesseur de manière optique. Dans un ordinateur, les données se déplacent actuellement électroniquement à la fois dans les puces et entre les puces - entre, par exemple, un microprocesseur et une puce mémoire - à travers de minuscules fils qui ralentissent tout. Les fils sont le véritable goulot d'étranglement des ordinateurs, dit Ramdani. Si chaque puce de silicium était livrée avec ses propres lasers embarqués constitués de semi-conducteurs composés pour déplacer les données, ces puces fonctionneraient à la fois plus rapidement et pourraient échanger plus rapidement de plus grandes quantités de données avec d'autres puces. Il est trop tôt pour écarter la possibilité qu'un problème caché envoie l'investissement croissant de Motorola dans sa nouvelle technologie dans le vaste tas de bons essais qui ont mal tourné. Il y a certainement un certain nombre de sceptiques qui ne sont toujours pas convaincus que la superpuce de l'entreprise sera un jour à la hauteur de son battage médiatique. Néanmoins, au cours des trois années écoulées depuis l'épiphanie originale de Ramdani, Motorola s'est de plus en plus engagé à faire en sorte que la technologie remplisse ses nombreuses promesses, en y jetant son poids financier et technique substantiel. En effet, l'enthousiasme de Ramdani pour la percée est loin de s'estomper. Selon moi, cette technologie va révolutionner l'industrie des semi-conducteurs, dit-il. Il nous permettra de faire des choses qu'il y a 20 ans, nous ne pouvions que rêver de faire. Pomper du silicium Un échantillon d'entreprises repoussant les limites des matériaux semi-conducteurs
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