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Fabrication de super-réseaux bas-coûts pour
le management thermique des systèmes électroniques
Contrat ANR PNANO 2007 n° 047-01 - Projet COFISIS
Labélisé AdvanCity
Partenariat ESIEE / NXP / INSA Lyon / CNRS
Contact : [e-mail]
Principe
ÎUtilisation du fort pouvoir thermoélectrique des super-réseaux.
Un super-réseau =structure multicouche composée de deux matériaux
présentant une succession de barrières de potentiel.
ÎLorsque les barrières sont suffisamment fines, l’apparition d’un
transport balistique thermoïonique permet de fortement augmenter le
pouvoir thermoélectrique du super-réseau par rapport aux matériaux
massifs, notamment grâce à un filtrage des électrons les plus
énergétiques.
ÎLa multiplication des interfaces permet de réduire la conduction
des phonons, principaux conducteurs de chaleur.
Le projet COFISIS se propose de réaliser des super-réseaux verticaux
directement dans le silicium, et non par dépôts successifs de couches
planaires, afin d’offrir une technologie compatible avec les procédés de
fabrication industrielle et de fortement réduire les coûts de fabrication.
Problématique et objectifs du projet
La présence de millions de transistors sur une surface de l’ordre du mm² se traduit par des échauffements très localisés dans
les composants électroniques. Ces points chauds, qui peuvent aller jusqu’à plusieurs dizaines de degrés Celsius au-dessus
de la température moyenne du dispositif, peuvent-être à l’origine d’une altération des fonctionnalités du composant. La
complexité croissante des systèmes électroniques, dont l’intégration est désormais tridimensionnelle, rend encore plus difficile
l’évacuation thermique. Le projet COFISIS a pour objectif, à l’aide des nanotechnologies, 1) de diminuer la température des
points chauds de façon très localisée dans les systèmes électroniques et les circuits intégrés, et ce avec des coûts de
fabrication acceptables, 2) de récupérer l’énergie thermique « gaspillée» par les composants pour diminuer la consommation
des systèmes électroniques.
MATEIS
Outils pour la mesure du
coefficient Seebeck
NXP
Specs &
démonstrateur final
ESIEE
Fabrication des
super-réseaux
CETHIL
Modèles prédictifs de la
conduction thermique
CETHIL
Outils pour la mesure de la
conduction thermique
CONSORTIUM
MATEIS
Outils pour la mesure du
coefficient Seebeck
NXP
Specs &
démonstrateur final
ESIEE
Fabrication des
super-réseaux
CETHIL
Modèles prédictifs de la
conduction thermique
CETHIL
Outils pour la mesure de la
conduction thermique
CONSORTIUM
MATEIS
Outils pour la mesure du
coefficient Seebeck
NXP-SC Caen
Specs &
démonstrateur final
ESIEE
Fabrication des
super-réseaux
CETHIL
Modèles prédictifs de la
conduction thermique
CETHIL
Outils pour la mesure de la
conduction thermique
Organisation du consortium
distribution des
électrons
Approche classique (a) et approche « bas coût » du
consortium (b) pour la fabrication des super-réseaux.
x 4
étape n°1 n°2 n°8 n°9
étape n°1
a)
b)
Silicium
Silicium
n°2 n°3
sens de
déplacement
des porteurs
super-réseaux
Principe du filtrage des électrons chauds dans une barrière de potentiel
unique métal / semi-conducteur dopé [Shakouri, IEEE Proc. 08/2006].
MATEIS
UMR 5510
Challenges
1. Réalisation de super-réseaux verticaux dont la largeur des couches est
suffisamment faible pour qu’y apparaissent un transport balistique
thermoïonique, même partiel.
2. Développement de modèles mathématiques de la conduction thermique
dans les nanostructures hétérogènes afin d’aider à l’optimisation des super-
réseaux.
3. Développement des outils de mesure pour la conduction thermique et le
pouvoir thermoélectrique aux échelles nanométriques.
barrière
anode
énergie des
électrons
niveau
de Fermi
sélection des
électrons chauds
ΔV
hauteur de
la barrière
>> kbT
~ kbT
cathode