Recherche – Les faits marquants 2016

 

Décembre 2016

L’ADN, relais d’innovation pour la microélectronique ?

Pourquoi l’ADN ? Parce que ses brins ont des dimensions de l’ordre du nanomètre, à l’échelle des géométries sur lesquelles travaillent les chercheurs. Et parce que les capacités d’appariement spécifique des molécules d’ADN garantissent un alignement des motifs générés plus précis que celui des technologies les plus performantes.
Or, ces alignements entre parties actives de circuits ou entre niveaux doivent être parfaits pour bien transmettre les signaux électroniques. Et plus les géométries se réduisent, plus ils deviennent difficiles à maîtriser.
Des designs sur mesure à coût compétitif
Enfin, cerise sur le gâteau, les brins d’ADN permettent de réaliser des designs sur mesure à un coût très compétitif.
Dans le cadre d’A3DN, l’équipe Leti -INAC a fabriqué par exemple des nanofils suspendus conducteurs, à partir de fragments d’ADN métallisés. Ils pourraient être utilisés dans des NEMS.
Autre réalisation : le dépôt sur un substrat des « origamis » d’ADN de dimensions nanométriques et de haute densité (période inférieure à 15 nm), puis le transfert de ces motifs par lithographie classique.
Ces travaux prometteurs ouvrent de vastes perspectives en nanoélectronique, micro-nanosystèmes, biochimie, nano-caractérisation, etc.

Le sucre, voie royale pour pénétrer le foie ?

Soigner des patients atteints de la maladie de Wilson (excès de cuivre dans le foie) ? C’était l’objet  d’une étude INAC – BIG* – DCM** menée sur deux types de chélateurs.
Ils ont été fonctionnalisés avec de la N-actétyl galactosamine, un sucre qui interagit spécifiquement avec des récepteurs biologiques des membranes de cellules du foie. Résultat : l’efficacité de pénétration augmente avec le nombre d’unités de sucre. Avec 3 ou 4 unités par molécule, valeur optimale, l’efficacité est 1 000 à 10 000 fois plus élevée qu’avec une seule unité.
Les chercheurs continuent à améliorer ce ciblage des cellules du foie. Au niveau atteint, l’affinité du chélateur pour le récepteur biologique est voisine de celle de protéines in vivo.

Le pacemaker sans fil est peut-être pour demain

Engagé avec d’autres partenaires dans un projet ANR sur le développement d’un pacemaker sans fil, le laboratoire TIMA vient d’enregistrer un résultat prometteur. Son récupérateur d’énergie, basé sur une lame piézoélectrique multicouches, a fonctionné en environnement simulé pendant 109 cycles (environ 3 ans) en délivrant les 10 microwatts nécessaires au fonctionnement d’un pacemaker miniaturisé sans pile.
Le récupérateur sera activé par l’activité mécanique du muscle cardiaque. Il s’intégrerait directement dans la capsule du pacemaker (20 mm de long et 6 mm de diamètre) fixée à l’intérieur du ventricule droit. Aujourd’hui, les pacemakers traditionnels (version filaire) sont alimentés par batterie. Celle-ci est positionnée au niveau de la clavicule et doit être changée par voie chirurgicale tous les 8 ans environ.

Conversion de puissance : des composants GaN très prometteurs

L’aéronautique et l’automobile appellent de leurs vœux des convertisseurs de puissance plus compacts et plus performants. Les derniers travaux du Leti sur un convertisseur intégrant des composants en nitrure de gallium (GaN) sur silicium ont de quoi les réjouir. Testés sur démonstrateur, ils ont montré un faible niveau de pertes et une vitesse de commutation qui permettrait de monter à 30 MHz de fréquence. Les meilleurs convertisseurs actuels plafonnent à 100 kHz.
Ces composants GaN sont bidirectionnels : ils commutent sur courant alternatif sans recours à un étage de conversion, ce qui permet de supprimer de nombreux éléments passifs. Ils sont compatibles CMOS, donc peu coûteux à fabriquer. Au premier semestre 2017, le Leti testera, toujours sur démonstrateur, un nouveau lot tout juste sorti des salles blanches.

Une heure pour tester l’efficacité d’un antibiotique

Grâce aux micro-résonateurs suspendus réalisés au Leti, le MIT a mis au point une nouvelle micro-puce dédiée au test rapide de médicaments. Elle mesure la croissance d’une culture de cellules en la pesant au fentogramme près et évalue ainsi sa réponse à une molécule active, par exemple un antibiotique. Ces résultats ont été publiés dans Nature Biotechnology.
Le test prend seulement une heure, contre un jour avec les techniques traditionnelles. Sur des durées plus longues, la même micro-puce peut évaluer l’efficacité d’un anti-cancéreux.
Le Leti a profité de cette nouvelle collaboration pour améliorer encore le rendement de son procédé. Il vient par ailleurs de livrer 800 autres micro-résonateurs au MIT. La technologie est désormais assez robuste pour envisager un transfert industriel.

 

Octobre  2016

Vers une nouvelle IRM plus précise et moins chère

Plusieurs équipes dans le monde ont réalisé des transistors mono-électroniques de quelques nanomètres. Mais aucune ne l’avait fait au coeur du CMOS, avec un fonctionnement à température ambiante. Une équipe CEA-Leti/INAC vient de relever ce double défi . Son transistor, inséré dans un fi l de silicium de 3,4 nm de diamètre,
fonctionne depuis les basses températures jusqu’à l’ambiante.
Ces travaux publiés dans Nanoletters recouvrent un enjeu majeur : grâce au transistor mono-électron, il deviendrait possible de faire chuter la consommation des circuits ou même de les utiliser pour un processeur quantique. À ce jour, les chercheurs grenoblois s’attachent à réduire la variabilité de leurs transistors, quitte à relâcher quelque peu les contraintes de miniaturisation.
La maitrise des champs magnétiques, un verrou majeur
Mais pour l’utiliser un jour, il faudra obtenir une parfaite maitrise des champs magnétiques d’observation qu’elle utilise. Ils varient entre des valeurs fortes, de l’ordre de 0.2 Tesla, et des valeurs bien inférieures au champ terrestre. A des niveaux aussi réduits, la moindre perturbation extérieure modifie le champ et fausse la mesure. De plus, il faut garantir cette stabilité dans un volume équivalent à une sphère de 30 cm de diamètre.
Le G2Elab et le Leti vont donc développer des systèmes de mesure et de compensation active des perturbations du champ magnétique. Plus précisément, le G2ELab travaillera sur la mesure et la modélisation des champs. Quant au Leti, il prendra en charge les bobines de correction du champ magnétique et les composants électroniques associés. Un premier jalon devrait être atteint fin 2016.

Au LMGP, le dépôt par couches atomiques passe la vitesse supérieure

Le LMGP a présenté fin septembre à MINATEC son nouveau réacteur SALD (Spatial Atomic Layer Deposition), le premier en France. Il fonctionne à la pression atmosphérique, d’où un coût réduit, et peut réaliser du dépôt par couches atomiques jusqu’à 100 fois plus vite qu’avec un réacteur ALD classique.
Les couches sont fines – quelques nanomètres à plusieurs centaines de nanomètres – et très homogènes. Des caractéristiques qui rapprochent cet équipement de laboratoire des exigences industrielles.
Ce nouveau réacteur est par exemple très indiqué pour l’encapsulation de dispositifs et l’ingénierie d’interfaces : protection contre la corrosion, matériaux barrière étanches… Dans le cadre du projet Carnot Energies du futur, il est utilisé avec l’INES pour du dépôt d’électrodes sur des cellules solaires.

Véhicule autonome : des algorithmes à réinventer

Le principal obstacle technique au futur véhicule 100 % autonome ? Ses besoins en puissance de calcul seront tels qu’il faudra le remplir de puissants ordinateurs ! Voilà pourquoi une équipe Leti développe depuis trois ans une solution de rupture. Elle remplace les algorithmes actuels, issus de la robotique, par de nouveaux conçus spécifiquement pour le véhicule autonome.
Ils sont capables de fusionner et d’interpréter des données issues de trois technologies de capteurs en moins de 50 millisecondes. Ils utilisent une nouvelle arithmétique dite « parcimonieuse », d’où des besoins en calcul divisés par 100. Ils font déjà l’objet de deux brevets et suscitent beaucoup d’intérêt à chaque présentation publique : salon DAC 2016 en juin au Texas, forum européen le 15 octobre à Bruxelles, salon Vision en novembre à Stuttgart…

Nano-informatique : le skyrmion n’est plus une utopie

Des skyrmions stables à température ambiante, en l’absence de champ magnétique : c’est l’avancée réalisée par une équipe de Spintec. Elle a déposé une couche magnétique de cobalt de quelques atomes d’épaisseur, en sandwich entre une couche de platine et une autre d’oxyde de magnésium. Cette structure augmente fortement l’interaction magnétique à l’origine de la structure en hélice du skyrmion.
Cette quasi-particule de quelques nanomètres fait rêver les chercheurs en quête de dispositifs de stockage de l’information à très faible consommation. Mais à ce jour, il faut de très basses températures ou des champs magnétiques élevés pour les observer. Un verrou que Spintec pourrait faire sauter, d’autant que leur technique de dépôt du cobalt est couramment utilisée dans l’industrie micro-électronique.

 

Juin 2016

Le mystère des nanorésonateurs s’éclaircit et s’épaissit

Grâce à une équipe Leti épaulée par trois partenaires internationaux*, on sait enfin pourquoi les nanorésonateurs connaissent des écarts de mesure d’un à deux ordres de grandeur par rapport à la théorie.
Jusqu’ici, la plus petite masse ou force mesurable était imposée par les fluctuations thermiques dans l’environnement du résonateur. Sachant qu’un résonateur à l’état de l’art atteint une résolution de 10-21 gramme, l’hypothèse était plausible. Or, les chercheurs grenoblois ont établi dans un article publié par Nature Nanotechnology que la fluctuation de la fréquence propre du dispositif jouait un rôle bien plus important : le principal perturbateur n’est pas l’environnement mais le moyen de mesure.
Deux fréquences pour un seul résonateur
Pour arriver à cette conclusion, l’équipe a breveté une technique expérimentale qui soumet simultanément le nanorésonateur à deux fréquences proches de sa fréquence de résonance. A partir du signal de réponse, il est possible de discriminer l’influence du bruit de mesure et celle de la fluctuation de la résonance. Le mystère des écarts de mesure est donc en partie éclairci. Mais il est loin d’être résolu car les chercheurs n’ont pas trouvé pourquoi la résonance fluctue. Pourtant, ils ont étudié via de nouvelles expériences les explications proposées dans la littérature : écarts de température, piégeage de charges ou diffusion de molécules de gaz sur la poutre vibrante du résonateur… Aucune ne tient la route.
Le Leti poursuit donc ses investigations. En espérant trouver, avec la clé du mystère, le moyen d’améliorer encore la précision de ses dispositifs.

Technologies additives : Leti et Liten joignent leurs efforts

Au Leti, on n’en doute plus : les technologies additives peuvent apporter un plus aux filières silicium. Des travaux menés avec une équipe Liten en attestent. Ils montrent l’intérêt de ces technologies pour réaliser par exemple des couches très épaisses (100 microns et plus) ou des dispositifs grande surface, à moindre coût par rapport aux procédés silicium.
Un premier résultat concerne une inductance radiofréquence (RF) réalisée par sérigraphie. Elle fonctionne à 2 GHz avec un facteur de qualité de 30, et suscite l’intérêt d’un industriel pour l’intégrer sur un boîtier. Second résultat, un démonstrateur de système de récupération d’énergie. Sa couche de matériau piézoélectrique est imprimée avec un procédé du Liten, et non plus hybridée. Le niveau d’énergie suffit pour alimenter un lien RF.

Lithographie : première validation d’une résine non amplifiée

Les procédés de lithographie 300 mm des prochaines années utiliseront peut-être des résines dites « non amplifiées », pour tracer les motifs de circuits avec un meilleur contrôle dimensionnel et moins de rugosités de bords. Les membres du projet industriel Imagine, dont le Leti, ont réalisé récemment une première validation sur équipement industriel.
D’abord pré-évaluée sous simple faisceau, la résine a été testée avec succès sous un équipement de 1 300 faisceaux de Mapper, l’un des partenaires du projet. Les paramètres du procédé ont été définis afin d’assurer un transfert industriel qui pourrait intervenir dès 2018. En parallèle, dans le cadre d’un projet Inter-Carnot en phase de validation finale, le Leti prévoit d’évaluer d’autres résines non amplifiées avec l’université de Mulhouse.

Conception de nanosystèmes : Samson fait recette

Installée depuis plus d’un an à MINATEC, l’équipe Inria Nano-D qui développe la plateforme logicielle générique de conception de nanosystèmes Samson fait face à une actualité chargée. Elle a décroché en mars un ERC Proof of concept pour évaluer le potentiel commercial de son outil. Elle vient de lancer une version 0.5. Enfin, elle organise en juin une première « Samson school » à Aix-les-Bains.
Samson permet d’analyser et de concevoir des nanosystèmes de toute nature, en particulier à partir de simulations interactives. Il fonctionne en architecture ouverte pour permettre la création et le partage de modules : des atouts qui font mouche face aux offres commerciales chères et non personnalisables. La version bêta, lancée en mars 2015, totalise plus de 600 comptes utilisateurs internationaux, académiques ou privés.

 

Avril 2016

2016-2020 : la FMNT monte en puissance

Renouvelée le 1er janvier dernier pour cinq ans, la Fédération des micro nano technologies (FMNT) en a profité pour attirer les équipes de trois nouveaux laboratoires et porter son effectif à près de 500 collaborateurs, soit 30 % de croissance. Elle rejoint les structures de recherche françaises les plus importantes en microélectronique et nanotechnologies.
Jusqu’en 2015, la FMNT comprenait le LTM, le LMGP, l’IMEP-LaHC et une partie du G2ELab. S’y ajoutent désormais SPINTEC, deux équipes de TIMA et une autre du LCIS, à Valence.
5 axes stratégiques et 7 laboratoires
Le nouvel ensemble, dirigé par Mireille Mouis (IMEP-LaHC), s’organise selon cinq axes stratégiques : micro-électronique, composants et systèmes télécoms, dispositifs de mesure intégrés, matériaux et composants pour l’énergie, composants et systèmes pour la santé. Cette liste montre à elle seule combien les thèmes de recherche de la FMNT se sont diversifiés ces dernières années.
Les 7 laboratoires se fixent pour objectif de mieux exploiter leurs synergies, de renforcer les axes de travail transverses et de bâtir des réponses communes aux appels à projets européens. Cette dynamique avait été amorcée sur certaines thématiques pendant le précédent contrat quinquennal. Elle sera amplifiée et généralisée. L’accès aux moyens de caractérisation fonctionnelle va être facilité par la mise en place de la plateforme OPERA, qui offrira un accès centralisé pour les extérieurs. Enfin, la FMNT se dotera d’un nouveau site web pour améliorer sa visibilité.

Intégration 3D : INTACT, un circuit au top mondial

Deux équipes CEA-Leti ont participé dans le cadre d’un projet IRT Nanoélec à la réalisation d’un circuit multi-cœurs 3D qui fixe un nouvel état de l’art mondial. Par rapport aux meilleurs circuits 3D, INTACT offre cinq fois plus de puissance de calcul, pour une efficacité énergétique doublée.
Ces résultats reposent notamment sur un choix technique inédit. L’interposeur sur lequel sont disposés les 96 cœurs du circuit est « actif » : il comporte, outre des interconnexions optimisées entre circuits, des fonctions de gestion d’alimentation, de test et de diagnostic (stress, thermique).
Ce circuit a été pensé comme un démonstrateur des capacités grenobloises en design et en technologie, pour de futures applications en calcul haute performance. Il a été envoyé en fonderie et sera disponible cet été. Deux brevets ont été déposés.

La biopile a trouvé son récupérateur d’énergie

La biopile capable de produire de l’énergie à partir de sédiments (marins ou lacustres) est une belle idée. A condition de savoir extraire en temps réel cette énergie dont les caractéristiques varient de 1 à 10 selon l’environnement… C’est ce verrou que le CEA-Leti a levé grâce à un circuit d’interface spécifique. Il a permis, depuis des biopiles, de récupérer plusieurs dizaines de microWatt afin d’alimenter des capteurs en continu.
Cette technologie rend possible la surveillance autonome de milieux aquatiques, à partir de capteurs distribués (température, salinité, oxygène, CO2…) dont l’alimentation en énergie sera ainsi assurée. Les chercheurs se focalisent désormais sur la fiabilité à long terme des biopiles. Ils prévoient également des tests en milieu naturel, dans un lac proche de Grenoble.

Des dispositifs ultra basse consommation pour l’internet des objets

Un doctorant CEA-Leti a développé un convertisseur analogique/numérique et une architecture de filtrage du signal qui battent des records d’efficacité énergétique. Ceci grâce à la technologie FD-SOI 28 nm et à un nouveau mode de traitement du signal, dit event driven. Les dispositifs ne s’activent pas en fonction d’un cycle d’horloge mais du comportement du signal, par exemple lors du franchissement d’un niveau d’intensité donné.
Ces travaux ont donné lieu à deux brevets et à plusieurs articles. Le convertisseur a été placé en tête d’une base de données de référence de Stanford, en catégorie « efficacité énergétique ». En ligne de mire : l’internet des objets, qui nécessite des objets communicants autonomes dotés de systèmes de récupération d’énergie. Les systèmes actuels consomment encore trop pour en arriver là.

Les antennes super-directives font leurs preuves sur le terrain

Pour lire sélectivement des étiquettes RFID distantes de quelques centimètres les unes des autres, il suffit d’une antenne compacte (5 cm de rayon à 868 MHz) super-directive du CEA-Leti. La démonstration a été faite à la fin du projet ANR Socrate, où une telle antenne équipait un lecteur RFID portatif du marché. A plusieurs mètres de distance, les opérateurs ont géolocalisé des tags RFID avec une résolution de quelques degrés.
Ces résultats protégés par deux brevets confirment le potentiel de la technologie, basée sur la présence autour d’une source rayonnante de plusieurs éléments couplés et chargés par des impédances complexes. A directivité équivalente, la taille de l’antenne est divisée par dix.
Une thèse a été lancée. Sans attendre, plusieurs industriels ont sollicité le Leti pour des projets de R&D.

 

Février 2016

Télécoms : un module laser accordable en technologie III-V sur silicium

Les lasers accordables en phosphure d’indium (InP) massif pour réseaux télécoms ont un coût de fabrication élevé et se prêtent mal à une intégration avec d’autres composants photoniques et électroniques. Une équipe CEA-Leti/III-V Lab a réalisé le même type de composant sur un substrat silicium couplé à un matériau III-V.
Son module laser hybride monomode est accordable sur une gamme de 35 nm, grâce à un système original de guide couplé à deux anneaux contrôlés thermo-optiquement. Destiné aux télécoms longue distance et aux réseaux métropolitains, il permet l’allocation de 80 longueurs d’onde définies par la norme ITU (Union internationale des télécommunications).
Les chercheurs poursuivent l’intégration de ces lasers hybrides avec d’autres fonctions optiques. Objectif : des transmetteurs complets pour les télécommunications et les centres de données.

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