« Avec le développement des télécommunications sans fil, le besoin en débit ne cesse d’augmenter, mais nous allons arriver aux limites de la technologie silicium », prévient Mohammed Zaknoune, directeur de recherche CNRS à l’Institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN).
Le projet T-Rex-6G qu’il pilote, avec Eric Mercier du CEA-Leti, travaillera durant cinq années à repousser cette frontière et paver la voie vers la mobilité du futur, dont la 6G se veut le véhicule. Dévoilé au lancement du PEPR Electronique le 14 mars 2023, il concentrera les efforts pour transférer à l’échelle industrielle des transistors basés sur des semi-conducteurs III-V, qui ont prouvé leur valeur en laboratoire ou de façon confidentielle dans l’industrie.
« Le transistor est l’élément de base qui fixe les performances du système global de télécommunications, explique Mohammed Zaknoune. Le Graal est d’atteindre un débit de 100 Gbits/s sur une distance d’un kilomètre, alors que la portée n’est aujourd’hui que d’une centaine de mètres. »
L’allongement de cette distance requiert davantage de puissance, un registre dans lequel excelle le transistor bipolaire NPN (qui possède deux jonctions PN, ndlr). « Sa tension de claquage, au-delà de laquelle un transistor se détériore, est plus importante que celle d’un transistor à effet de champ, indique Mohammed Zaknoune. On obtient 5 à 6 volts désormais, ce qui donne une marge confortable pour générer plus de puissance. »
Le phosphure d'indium, sésame vers le térahertz
Autre condition à remplir pour des télécommunications sans fil ultra-rapides : la montée en fréquence. Etudiée depuis de nombreuses années à l’IEMN et ailleurs, la filière du phosphure d’indium, ou InP, se révèle une très bonne candidate pour commencer à explorer le domaine térahertz, situé par convention entre 300 GHz et 30 THz.
« Nous devons continuer à travailler pour porter la bande passante à 1 THz, gage d’une transmission de signal de qualité et d’un fonctionnement nominal à 200-300 GHz, précise Mohammed Zaknoune. Mais le plus gros défi reste de transférer ces transistors bipolaires InP sur un substrat en silicium de 200 ou 300 millimètres, tout en maintenant leurs performances. »
L’enjeu est de produire ces composants en volume et à bas coût, en tirant parti des procédés et des technologies largement déployés pour la micro-électronique sur silicium.
Deux techniques d’intégration seront examinées. La première, l’épitaxie de transistors bipolaires InP sur un substrat InP puis leur report par collage sur un substrat silicium, est mise au point par le laboratoire des technologies de la microélectronique (LTM). La seconde, la fabrication de ces transistors de bout en bout dans un environnement silicium, est en cours d’élaboration au CEA-Leti.
L'institut de recherche XLIM et le laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS) sont également impliqués dans ce projet.
Et aussi le projet Oror : des nanocomposants photoniques pour booster les fréquences RF
Au même titre que le projet T-Rex-6G, le projet Oror fait partie de la thématique « Composants pour les télécommunications » du PEPR Electronique. Il mise sur la photonique pour « repousser voire supprimer les limitations » des systèmes purement électroniques concernant l’augmentation des fréquences des systèmes RF.
Concrètement, il est question de créer et de miniaturiser trois types de composants : des sources laser verticales d’une longueur d’onde de 1,5 micromètre, des modulateurs à base de composants III-V intégrés sur silicium et enfin des oscillateurs optoélectroniques faisant office d’horloge dans les circuits photoniques. La 6G et le géo-positionnement sont les applications mentionnées.
Mehdi Alouini, enseignant-chercheur à l’université de Rennes et directeur du laboratoire Foton, et Karim Hassan, à la tête du laboratoire de photonique sur silicium du CEA-Leti, piloteront conjointement ce projet. Sont aussi impliqués le Centre de nanosciences et nanotechnologies (C2N) et l’Institut de physique de Nice.
