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1. 08
ÉLECTRONIQUE, 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

2. RAPPORT DE CONJONCTURE 1996
des systèmes à géométrie tridimensionnelle quel- - Les alliages SiGe ou SiGeC sont obtenus par
conque. 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 circuits
teurs constituent les éléments actifs des circuits inté- intégrés exploitant la complexification et les effets
grés, 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 base
de 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 MOS
les circuits les plus performants et les plus rapides sont très basses (le TMOS à longueur de canal de
en 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 aussi
les 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 filière
CMOS) (*). (*) Pour les sigles, voir le glossaire à la fin du présent chapitre.
2

3. 08 - ÉLECTRONIQUE, SEMI-CONDUCTEURS, PHOTONIQUE, GÉNIE ÉLECTRIQUE
La 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 de
pour 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 avancées
persion de paramètres “technologiques”) et dans le
temps (minimisation du bruit en excès par rapport
au bruit thermique). Des avancées considérables Il paraît de plus en plus logique de soutenir
sont à signaler dans ces domaines ; elles concer- que la course à la miniaturisation sera contournée
nent : 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 nouvelles
très fine (≅ 25 Å) ; les Processus Thermiques s’adresseront à un traitement de l’information plus
Rapides. 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 innovations
des procédés techniques (in situ surtout), importantes, et là les physiciens ont leur mot à
dire...
- les problèmes électrostatiques entraînant la
défaillance et la rupture des diélectriques (ESD),
- l’électromigration et la rupture des 1. 2 COMPOSANTS AUX
connexions métalliques, SEMI-CONDUCTEURS COMPOSÉS
- le contrôle fin (structural – par exemple Bien que négligeable par rapport au marché
rugosité – 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 croissance
ont 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 la
moléculaire. 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 la
cryomicroélectronique (précision de son champ Les progrès réalisés en croissance cristalline
d’application) ainsi que l’obtention du SiC en qua- ont permis la croissance de couches en adaptation
lité suffisante pour la réalisation des composants de maille (GaAlAs/GaAs, GaInAs/AlInAs/InP) puis
thermo-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 avancée
sager 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
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4. RAPPORT DE CONJONCTURE 1996
contraintes de désadaptation, mais également en et permettra d’étendre la plage fréquentielle jusqu’à
interdisant 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 optoélectroniques
loppement de structures mieux adaptées à leur
application sur des substrats de grandes tailles et typiques
compatibles avec les filières technologiques exis-
tantes. La croissance de structure pour lasers et Des lasers à multipuits quantiques de type P
modulateurs 1,3 µm sur substrat GaAs à la place sur InP ont été développés à Thomson LCR avec
d’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 quelques
que la lithographie, les méthodes de gravures, les 10 MHz.
dépôts métalliques et diélectriques et des outils de
conception 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 de
capables de couvrir la plupart des applications coupure de l’ordre de 50 GHz dans les longueurs
actuelles, en télécommunication notamment, même d’onde 1,3 - 1,5 µm. Le CNET a développé des
si de nombreux progrès sont à attendre pour les modulateurs à électroabsorption sur InP avec des
futurs 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 commercialement
fonctions 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 ÈMES
MMIC jusqu’à des longueurs de grille de 0,2 µm
(ft # 100 GHz). Composant de choix pour les appli- Les microsystèmes sont maintenant une
cations 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 des
jusqu’à environ 60 GHz (Thomson, Philips). La produits microsystémiques “standard” pour des
filière 0,1 µm est en cours de transfert en fonderie applications à grandes quantités. Et des fonderies
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5. 08 - ÉLECTRONIQUE, SEMI-CONDUCTEURS, PHOTONIQUE, GÉNIE ÉLECTRIQUE
opérationnelles 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 méthodes
ou 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 celle
des ASIC il y a cinq ans environ : les outils scienti- Les systèmes considérés peuvent être classés
fiques et techniques sont en cours de développe- en deux grandes catégories. On traitera ainsi
ment, et les nouveaux besoins que ces nouveaux successivement des systèmes dits ouverts et des
outils 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 orientation
scientifique 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 les
section 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 prise
tiques et l’optique. Les concepts sont largement en compte de l’environnement dans l’analyse des
communs aux trois disciplines, mais les instru- systèmes récepteur/émetteur, rendue indispensable
ments, 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 les
la 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 le
équations 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 recherche
pour variable le temps et/ou la fréquence. sont liés à la montée en fréquence et à l’augmenta-
tion de la densité d’intégration.
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6. 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 peignes
fonctionnement 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’élaboration
la 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 couches
des limites des modèles dits équivalents et de la minces.
segmentation par bloc, qui ne prend pas en compte
l’interaction électromagnétique entre éléments de
Les ultrasons et les microtechnologies
circuits. Aujourd’hui, les effets électromagnétiques
sont traités conjointement avec les effets ther -
miques et mécaniques et avec la physique des Les transducteurs miniaturisés intégrés à ondes
semi-conducteurs, ce qui permet d’aborder non de volume ou de surface peuvent être utilisés pour
seulement 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 dans
les systèmes modernes de communications ne peu- Les techniques de microscopie acoustique à
vent être traitées sans la prise en compte des cir- champ proche nées ces dernières années s’appuient
cuits auxquels elles sont couplées. Leur traitement d’une part sur les techniques développées pour les
est ainsi complémentaire de celui des circuits autres microscopies à champ proche et d’autre part
micro-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 champ
disciplinaire 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 nouveaux
matériaux...) 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 être
classé en trois catégories.
Les interactions ultrasons-matière
Les 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 destructive
troniques (fibres optiques, super-réseaux). Intégrant et locale les propriétés élastiques de la matière et
le traitement de signal, ils utilisent surtout la géné- renseigner ainsi sur les contraintes et dommages
ration des modes de propagation des ondes de sur- qu’elle subit.
face (mode de Rayleigh) ou de plaque (mode de
Lamb). Si les problèmes directs laissent encore de
nombreuses possibilités d’investigations, la résolu-
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7. 08 - ÉLECTRONIQUE, SEMI-CONDUCTEURS, PHOTONIQUE, GÉNIE ÉLECTRIQUE
tion 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. Ils
ouvrent cependant également la voie à des appli- - le traitement, le stockage et la visualisation
cations acousto-électroniques et acousto-optiques. d’informations,
Ainsi, le contrôle de la cavitation est un enjeu de
recherche 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 de
les microtechnologies, tant pour la fabrication de signal optique – on parle désormais de “l’optique
transducteurs 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 de
à ultrasons. Les techniques de fabrication collective la conjoncture, la maîtrise des matériaux est une
sont à développer. Les moyens de caractérisation préoccupation pratiquement omniprésente, qu’il
des matériaux, des composants et des échantillons s’agisse de semi-conducteurs utilisés par ailleurs
biologiques reposent de plus en plus sur les micro- pour des fonctions électroniques ou de matériaux
scopies à champ proche, tant pour la résolution élaborés spécifiquement pour des fonctions
atomique que pour l’échelle de la dizaine de nano- optiques.
mètres.
Optique non linéaire, optique
Cependant, la nécessité d’une interprétation
sûre des données recueillies engendre un important quantique, optique atomique
travail 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 aujourd'hui aussi les atomes
enrichie par des apports technologiques et concep- neutres où la manipulation des fonctions d’ondes
tuels au point qu’il convient de préciser son éten- fait apparaître une nouvelle optique physique.
due, qui recouvre très largement les préoccupations
des opticiens de la section 08. Les fonctions Parmi les matériaux étudiés pour l’optique
optiques 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 accord
spatiales ou temporelles, parfois l’un et l’autre. Elles de phase synthétique pour le doublage de longueur
incluent : 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,
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8. RAPPORT DE CONJONCTURE 1996
Optoélectronique 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, qui
tèmes 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 atteint
pent à la fois en optique planaire et dans les fibres : récemment une résolution record de λ/500. Sa
en peu d’années, les amplificateurs à fibres dopées parenté avec le microscope acoustique à champ
ont bouleversé l’évolution des télécommunications. proche a déjà été soulignée.
Le dopage aux ions de terres rares adaptées à
divers domaines de longueurs d’onde font progres-
Capteurs
ser lasers et amplificateurs guidés.
Le stockage optique d’information progresse Les capteurs biologiques se développent au
grâce 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 fréquences
atteinte par des lasers puissants et compacts justifie
Couches minces et micro-optique
de nombreux autres travaux sur l’élaboration de
matériaux pour les “microlasers”, qui promettent
des progrès en compacité et en pureté spectrale et La maîtrise de la réflexion et de la transmission
spatiale par rapport aux lasers des décennies pré- des composants optiques par les techniques de
cédentes. 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 continu
sans renoncer à l’augmentation de leur puissance pendant la croissance reste largement ouvert.
émise. Les microcavités optoélectroniques, qui
confinent simultanément les porteurs et la lumière, La modélisation de la diffraction dans des
ont déjà trouvé une application commerciale pour situations de plus en plus variées et la possibilité de
l’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’optique
mats hybrides, c’est-à-dire combinant réfraction et
diffraction. Dans le domaine des rayons X mous, la
qualité 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 des
miroirs. L’imagerie et l’holographie résolues dans le micro-ondes nous permet de mentionner ici
temps à l’aide d’impulsions femtosecondes permet- l’émergence d’une synergie prometteuse : modu-
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9. 08 - ÉLECTRONIQUE, SEMI-CONDUCTEURS, PHOTONIQUE, GÉNIE ÉLECTRIQUE
lation de faisceaux lumineux à très haute fré- Concernant les isolants et les matériaux
quence, détecteurs optiques à ondes progressives, magnétiques, de grands progrès ont pu être réalisés
génération 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 permis
ration entre l’optique et l’électronique, en de mieux cerner un grand nombre de phénomènes
revanche, ne devrait pas masquer les interactions physiques. Toutes ces études autorisent maintenant
et sujets d’intérêt communs entre ces deux disci- un travail de modélisation de plus en plus fin de
plines : on a vu ci-dessus qu’ils concernent les ces phénomènes afin de pouvoir mieux adapter ces
matériaux, composants et systèmes optoélectro- matériaux aux exigences nouvelles des concepteurs
niques, l’ensemble des télécommunications de composants et de systèmes. En effet, des progrès
optiques, le traitement optoélectronique du signal, considérables ont été réalisés ces dernières années
la 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, par
la 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 maintenance
propres 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 ou
vement 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. Par
du génie électrique peuvent être regroupées dans ailleurs, des résultats prometteurs ont été obtenus
quatre 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 de
conception. 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 pas
blèmes 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 la
section 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 présentent
caractérisation, la modélisation, l’adaptation et encore un très fort potentiel d’application, et leur
la 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, aux
matériaux dit “d’interfaces”. contacts électriques et aux interactions arc-élec-
trodes, avec une demande industrielle soutenue.
9

10. 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’autre
nément sur la modélisation, les structures et la com- part, à leur environnement. C’est ainsi que les
mande. En modélisation, on a assisté à la réseaux d’énergie électrique ont vu se généraliser
généralisation 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 de
mères couplés. Après l’analyse développée dans le l’énergie a impulsé les recherches sur les filtres
passé, 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 des
domaine 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 volume
tées 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 sont
Par 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 thèmes
ont 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- ou
du 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 large
magnétique, la gestion de l’énergie ou la sûreté de spectre de fréquences.
fonctionnement. Pour résoudre ces problèmes créés
par des interactions fortes, il faut d’une part amé- La fiabilité des équipements est devenue une
liorer les modèles, ensuite concevoir et implanter priorité majeure, et les travaux dans ce domaine sont
des 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 considération
aujourd’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 employés
ASIC : Application Specific Integrated Circuit (circuit sur HTc : Haute Température critique
demande) IGBT : Isolated Gate Bipolar Transistor (transistor bipolaire à
BTc : Basse température critique grille isolée)
CEM : Compatibilité Électro-Magnétique MESFET : Metal Semiconductor Field Effect Transistor
CMOS : Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (filières à (transistor à effet de champ métal semiconducteur)
transistors MOS complémentaires) MMIC : Monolithic Microwave Integrated Circuit (circuit intégré
DFB : Distributed Feed Back (contre réaction distribuée) à microondes monolithique)
fc : Fréquence de coupure MOS : Métal-Oxyde-Semiconducteur
fT ou ft : Fréquence de transition MSM : Métal-Semiconducteur-Métal
HEMT : Hight Electron Mobility Transistor (transistor à mobilité PIN : (diode) P type-Intrinsèque-N type
électronique élevée) TMOS : Transistor Métal-Oxyde-Semiconducteur
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