Qu’est-ce que le Fully depleted Silicon on Insulator (FD-SOI) ?

François Andrieu : L’aventure FD-SOI est née il y a quarante ans au cœur des Alpes françaises, à Grenoble, dans les laboratoires du CEA-Leti. Le FD-SOI concerne le transistor, ce composant électronique clé qui module ou amplifie les courants électriques. L’idée révolutionnaire des ingénieurs du CEA-Leti est de le façonner non pas dans un bloc de silicium massif mais dans un substrat de silicium ultra-mince, sur une couche d’oxyde isolante. Ces composants électroniques sont aujourd’hui gravés sur des substrats de silicium, qui prennent la forme de plaques circulaires ultra-minces de 300 mm de diamètre. Ils sont vendus dans le monde entier par l’entreprise française SOITEC, leader mondial des substrats SOI, essaimée du CEA-Leti dans les années 90. Et les sociétés Samsung et GlobalFoundries proposent ces composants FD-SOI dans leur catalogue.

Placés sur une couche isolante, les composants sur film ultra-mince sont intrinsèquement immunisés contre les fuites de courant. Le FD-SOI est 25% plus rapide que des transistors équivalents sur silicium massif, et consomme jusqu’à 40% moins d’énergie, notamment grâce à la maîtrise des pertes. Il connaît aujourd’hui un nouveau tournant avec la recherche de frugalité énergétique pour l’Internet des objets (IoT), et les besoins de la téléphonie mobile de type 5G+. C’est une belle revanche quand on sait qu’il n’a pas fait l’unanimité pendant longtemps dans le petit monde de la microélectronique. Son histoire est loin d’être finie et le FD-SOI a le potentiel d’atteindre des tailles de gravure sous la barre des 10 nanomètres.

Comment expliquez-vous le succès des puces
FD-SOI, de conception française, dans le domaine des smartphones ?

Eric Mercier : Utilisée jusque-là pour ses atouts basse consommation en énergie dans les dispositifs nomades et les microcontrôleurs, la technologie de transistors CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) « FD-SOI » séduit dorénavant les fabricants de téléphonie mobile pour ses performances radiofréquence (RF), notamment dans les hautes fréquences dites millimétriques.
Le FD-SOI est en effet tout à fait adapté aux besoins de la 5G, qui a et aura recours dans le futur aux ondes millimétriques, situées dans des gammes de fréquence au-dessus de 12 GHz. Les antennes qui opèrent dans ces gammes d’onde ont la particularité d’être petites, quelques millimètres, car les longueurs d’onde sont courtes, ce qui les rend très directives lorsqu’elles sont assemblées en réseau compact. Cette directivité permet d’augmenter l’efficacité du lien entre émetteur et récepteur, en maximisant la puissance utile. Dans un tel réseau d’antenne, la puissance émise globale correspond à l’addition des puissances individuelles de chaque élément du réseau nécessitant de fait une puissance réduite, de l’ordre de quelques dizaines de milliwatts, et pouvant donc être associé à un circuit intégré fabriqué via la technologie FD-SOI.

Quels sont les avantages et les bénéfices de la technologie FD-SOI pour la téléphonie mobile et le réseau 5G ?

François Andrieu : Dans les gammes de fréquences millimétriques, la technologie FD-SOI offre des solutions compétitives pour plusieurs blocs RF (radiofréquence), notamment les amplificateurs de puissance et les amplificateurs à faible bruit qui composent le réseau d’antennes. Sa bonne efficacité énergétique en fait de plus une technologie de choix pour la 5G et les futures générations de réseau haut débit. Les transistors FD-SOI présentent moins de capacité parasite que la technologie concurrente (FinFET), mondialement utilisée dans les processeurs rapides qu’on retrouve dans les téléphones et ordinateurs, ce qui permet de faire fonctionner ces dispositifs à plus haute fréquence, avec un meilleur rendement énergétique. Surtout, cette technologie offre la capacité de co-intégrer ces blocs RF performants avec des blocs analogiques et numériques parmi les plus avancés du marché en termes de miniaturisation (22nm-18nm), le tout sur une même puce. Ce qui rend le process de fabrication compétitif et économe en énergie.

Eric Mercier : En plus de ses performances compétitives, le FD-SOI s’avère moins cher que son concurrent, le FinFET pour la fabrication des émetteurs-récepteurs radiofréquence des systèmes 5G/6G fonctionnant dans la gamme des ondes millimétriques (applications de type module frontal RF). D’ailleurs, Google a adopté cette technologie pour son émetteur-récepteur 5G en bande millimétrique, qui équipe sa nouvelle génération de smartphones Pixel 6, lancée en octobre 2021. Ce composant radiofréquence est fabriqué par Samsung en technologie FD-SOI de 28 nanomètres licenciée à STMicroelectronics.