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Du silicium émettant de la lumière : un grand pas vers des puces photoniques ultrarapides

Posté le par Arnaud Moign dans Matériaux, Biotech & chimie

Les composants électroniques au silicium n’ont cessé de gagner en performances depuis l’apparition du premier transistor au silicium en 1954. Alors que les limites physiques de la miniaturisation semblent désormais atteintes, concevoir du silicium émettant de la lumière représente le “saint Graal” pour l’industrie du silicium. C’est désormais chose faite, grâce à une équipe de chercheurs de l’Université de Technologie d’Eindhoven.

Ce nouveau matériau ouvre la porte vers la conception de puces hybrides, capables de communiquer optiquement, de manière beaucoup plus rapide.

L’intérieur de la machine (épitaxie en phase gazeuse par organométalliques) utilisée pour la fabrication des nanofils de silicium-germanium hexagonal. Photo: Nando Harmsen

L’intérêt des communications optiques

En plus d’être rapides, les communications optiques ont un avantage considérable : elles engendrent beaucoup moins de chaleur que les communications électriques classiques. Ainsi, si l’on remplaçait toutes les communications électriques des puces actuelles, les processeurs de nos ordinateurs pourraient être 1 000 fois plus rapides, tout en perdant peu d’énergie par échauffement.

L’émission de lumière par les semi-conducteurs

Le fait qu’un matériau semi-conducteur puisse émettre des photons s’explique par la mécanique quantique. En effet, un semi-conducteur est un cristal dans lequel les atomes sont ordonnés de manière périodique et maintenus ensemble par des liaisons électroniques. Pour émettre de la lumière, la première chose à faire est d’exciter des électrons, la seconde est de les laisser retourner à leur position initiale. Malheureusement, le gros problème avec les cristaux de silicium cubiques, c’est que les électrons libres ont du mal à retrouver cette position.

“L’astuce que nous avons trouvée consiste à empiler les atomes de silicium dans une position légèrement différente. Ce maillage modifié permet aux électrons libres de s’intégrer dans une forme appropriée, de rejoindre leur position initiale rapidement et d’émettre de la lumière de manière efficace”, affirme Alain Dijkstra, du département de physique appliquée de l’Université de Technologie d’Eindhoven.

Vers une hybridation électronique/photonique

Il y a 50 ans, une vieille publication prédisait qu’il serait possible de produire un matériau semi-conducteur capable d’émettre de la lumière, sous deux conditions :

  • mélanger des atomes de germanium avec le silicium ;
  • arranger les atomes sous forme hexagonale, au lieu de cubique.

Les travaux publiés récemment dans la revue Nature par cette équipe de chercheurs montrent sans ambiguïté qu’ils ont réussi à créer ce matériau, validant ainsi cette théorie.

Elham Fadaly (à gauche) et Alain Dijkstra (à droite). Credits : Sicco van Grieken, SURF

“Nous avons démontré que les propriétés qui étaient attendues sont effectivement correctes et que ce matériau pouvait émettre de la lumière avec une efficacité proche de celle des matériaux utilisés pour fabriquer les lasers”, précise Alain Dijkstra.

Ces résultats sont donc d’autant plus encourageants qu’ils laissent entrevoir la possibilité de concevoir des lasers extrêmement efficaces en utilisant les procédés largement éprouvés de l’industrie des semi-conducteurs.

De plus, d’après Alain Dijkstra, c’est la première fois qu’un matériau de ce type “s’intègre sans problème aux technologies de fabrication de puces électroniques, car il est composé des mêmes ressources bon marché.”

Encore quelques années avant une industrialisation

Bien qu’il ait démontré son efficacité, de nouvelles étapes de développement vont être nécessaires avant que ce matériau intègre l’industrie des semi-conducteurs.

“Nous travaillons actuellement au développement d’un premier laser ainsi que d’une méthode permettant de fabriquer ce matériau à grande échelle. Nous espérons qu’il fera sa première apparition dans l’industrie d’ici 5 à 10 ans”, confie Alain Dijkstra.

Pour aller plus loin

Posté le par Arnaud Moign


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