TECHNOLOGIES CLÉS 2010 (novembre 2006)

Matériaux – chimie

19. Matériaux pour l'électronique et la mesure

Description

Ces matériaux regroupent les matériaux utilisés dans la fabrication des composants électroniques ainsi que des capteurs. Le silicium sera, à l'horizon 2010 et probablement au moins jusqu'à 2020 le principal matériau utilisé dans ces applications. Parallèlement l'utilisation d'autres matériaux devraient se développer tels que :

• les polymères électroniques : les applications de ces matériaux organiques sont notamment les écrans et les étiquettes radiofréquence (RFID) flexibles. Les polymères concernés doivent avoir les propriétés électroniques adéquates pour former les couches semi-conductrices et isolantes des transistors. Outre la possibilité de fabriquer des produits souples, les dispositifs utilisant des polymères électroniques pourraient présenter l'avantage d'être fabriqués avec des techniques de fabrication moins coûteuses (impression jet-d'encre) ;
• les matériaux magnétiques : les applications dans le domaine de l'électronique et de la mesure sont le stockage des données (disques durs et mémoires MRam pour Magnetic Random Access Memory), la conception d'actionneurs électromagnétiques (en remplacement de dispositifs hydrauliques ou pneumatiques) ou de capteurs. On recherche des matériaux qui conservent leurs propriétés magnétiques près de leur température de Curie, et qui soient moins sensibles à la micro-oxydation ; des nano-composites combinant des magnétiques durs et mous ont également un intérêt ; par ailleurs les matériaux candidats doivent être plus durables et permettre la réalisation, avec précision, de composants miniaturisés ;
• les matériaux permettant l'électronique de spin : les principales applications sont le stockage de données ou la transmission d'informations (commutateurs pour les télécoms). Le principe est ici d'utiliser à la fois la charge et le spin des électrons. Ceci est possible en combinant des matériaux semi-conducteurs et ferromagnétiques, ou en utilisant des semi-conducteurs ferromagnétiques. Dans ce deuxième cas, le challenge est la mise au point de matériaux semi-conducteurs qui soient ferromagnétiques à température ambiante, et qui conservent les propriétés observées jusqu'à présent à basse température ;
• les matériaux ferroélectriques : ces matériaux sont essentiellement utilisés pour leurs propriétés dérivées : la pyroélectricité pour la réalisation de capteurs thermiques, la piézoélectricité pour la réalisation de capteurs et d'actionneurs mécaniques (accéléromètres, capteurs de pression, ...). Leurs propriétés électro-optiques sont mises à profit pour la réalisation de multiplexeurs et de modulateurs optiques. Une autre application importante des matériaux ferroélectriques est les mémoires Ram (Random Access Memory). Du point de vue des matériaux, les travaux nécessaires concernent les matériaux nanostructurés, les hybrides organiques-inorganiques et une compréhension plus poussée des matériaux actuels ;
• les matériaux pour microélectronique III-V : il s'agit de semi-conducteurs tels que AsGa (arséniure de gallium), InP (phosphure d'indium) et de composés ternaires de type AsGaAl (arséniure de gallium et d'aluminium). Les applications spécifiques de ces matériaux sont les amplificateurs de puissance pour la téléphonie mobile ou les circuits de commande pour les communications optiques à très haut débit. Certains nitrures sont utilisés dans des diodes électroluminescentes comme sources de lumière blanche à haut rendement. Les développements nécessaires concernent l'optimisation des technologies de croissance pour les applications industrielles, un meilleur contrôle de la qualité des interfaces dans les super-réseaux et la mise au point de matériaux monocristallins ;
• les nanotubes de carbone : en fonction de la position des atomes de carbone, on obtient des matériaux conducteurs ou semi-conducteurs. En raison de leur faible taille et de leurs propriétés électriques variables, les nanotubes de carbone apparaissent comme des matériaux candidats au remplacement des matériaux actuels. On pourrait ainsi disposer plus de transistors sur un même circuit intégré et donc augmenter la puissance des puces utilisées. Des premiers exemples de transistors moléculaires à base de nanotubes de carbone semi-conducteurs ont déjà été proposés.

Au-delà de leur variété, il convient de souligner les différences dans les stades de développement des technologies présentées. Les matériaux ferroélectriques ou pour la microélectronique III-V ont ainsi atteint une certaine maturité. Les travaux sur les matériaux magnétiques, pour l'électronique de spin ou les polymères électroniques sont actuellement très nombreux. Enfin, l'horizon pour les applications des nanotubes de carbone en électronique se situe au-delà de 2010.

Des verrous économiques importants existent pour plusieurs de ces matériaux. La rareté de certains métaux, combinée à une demande en forte croissance, a des conséquences très significatives en terme de coût des matières premières. Au-delà de ces aspects économiques, la disponibilité de certains matériaux sera difficile à assurer.

Enjeux, Impact

Les enjeux de ces technologies alternatives sont de préparer la substitution des semi-conducteurs à base de silicium massif. Cette substitution sera progressive dans les applications pour lesquelles les performances du silicium seront surpassées. Les experts estiment que les technologies silicium seront encore prépondérantes en 2020.

Un enjeu pour les acteurs français de la microélectronique est de conserver une expertise forte sur ces sujets.

Certaines des technologies présentées ont par ailleurs des impacts directs en terme de compétitivité ; ainsi on estime qu'un site de production de puces en polymère coûterait moins de 35 M$, alors qu'une usine de fabrication de semi-conducteurs vaut entre 2 et 4 Md$.

Marché

Le marché de ces matériaux est celui de l'électronique et des capteurs, qui touche de très nombreux domaines d'activités en aval. Certains de ces domaines sont particulièrement moteurs pour le développement des technologies : technologies de l'information et de la communication, aéronautique et espace, défense, automobile ... Les applications sont également très larges : stockage de données (disques durs et mémoires), écrans et éclairage, RFID, capteurs mécaniques, de température ...

En 2004, le marché mondial des semi-conducteurs a atteint 213 Md$ ; il devrait atteindre 309 Md$ en 2008. Il est aujourd'hui largement dominé par la technologie silicium. L'essor de technologies alternatives est attendu dans les prochaines années. Par exemple, le marché des mémoires magnétiques (MRam) devrait croître fortement pour atteindre 2,8 Md$ en 2008 et 16,1 Md$ en 2012 ; le marché de l'électronique plastique, évalué actuellement à 70 M$ pourrait représenter 5,8 Md$ en 2009.

Acteurs

Disciplines scientifiques : chimie physique, chimie analytique, chimie moléculaire, chimie du solide, matériaux, physique théorique, optique, physique des constituants élémentaires, génie des matériaux, électronique, photonique, optronique.

Compétences technologiques : semi-conducteurs, optique, analyse, mesure et contrôle, traitements surface, matériaux - métallurgie, spatial – armement.

Pôles de compétitivité : Solutions communicantes sécurisées (Provence-Alpes-Côte d'Azur), System@tic (Île-de-France), Minalogic (Rhône-Alpes)

Liens avec (technologies) : mesure des polluants de l'eau prioritaires ou émergents, gestion de la micro-énergie, processeurs et systèmes, RFID et cartes sans contact, stockage de l'information numérique, affichage nomade, matériaux nanostructurés et nanocomposites, capteurs intelligents et traitement du signal, micro et nanocomposants, procédés et systèmes de photonique, composants et systèmes d'éclairage à rendement amélioré.

Principaux acteurs français

Centres de compétences : IEMN (Lille), Leti (Grenoble), LAAS (Toulouse), LPN (Marcoussis), Spintec (CEA-CNRS - Grenoble) ...

Industriels : Alcatel-Thales III-V Lab, Crocus Technology, Picogiga (Soitec), Soitec, Spintron, STMicroelectronics, Thomson ...

Outre les pôles de compétitivité, les acteurs technologiques français sont regroupés autour de plusieurs initiatives nationales ou européennes, notamment : Minatec autour de Grenoble (www.minatec.com), le Réseau micro-et nano-technologies (RMNT- www.rmnt.org).

Exemples d'acteurs dans le monde :

Microélectronique : Intel (États-Unis), Toshiba (Japon), Samsung (Corée du Sud), Texas Instruments (États-Unis), NEC (Japon), Freescale (États-Unis), Hitachi (Japon), Infineon (Allemagne), Philips Semicondustor (Pays-Bas) ...

Électronique plastique : Freescale (États-Unis), Hewlett Packard (États-Unis), Infineon (Allemagne), Eastman Kodak (États-Unis), Opticom (Norvège), Polymer Vision (Philips- Pays-Bas), Xerox (Japon) ...

Magnétique et électronique de spin : Canon Anelva (Japon), Cypress (États-Unis), Despatch (États-Unis), Freescale (États-Unis), IBM (États-Unis), Infineon (Allemagne), Micromem (États-Unis), NEC (Japon), Toshiba (Japon) ...

© Ministère de l'Économie, des Finances et de l'Industrie,
Direction Générale des Entreprises, 12/2006