L'énorme augmentation des performances informatiques au cours des dernières décennies a été obtenue en serrant de plus en plus de transistors dans un espace plus restreint sur des micropuces.

Cependant, cette réduction des effectifs a également signifié l'emballage du câblage dans les microprocesseurs de plus en plus étroitement ensemble, entraînant des effets tels que des fuites de signal entre les composants, ce qui peut ralentir la communication entre les différentes parties de la puce. Ce retard, connu sous le nom de « goulet d'étranglement de l'interconnexion, " devient un problème croissant dans les systèmes informatiques à grande vitesse.

Une façon de s'attaquer au goulot d'étranglement d'interconnexion est d'utiliser de la lumière plutôt que des fils pour communiquer entre les différentes parties d'une micropuce. Ce n'est pas une tache facile, cependant, comme le silicium, le matériau utilisé pour construire les puces, n'émet pas de lumière facilement, selon Pablo Jarillo-Herrero, professeur agrégé de physique au MIT.

Maintenant, dans un article publié aujourd'hui dans la revue Nature Nanotechnologie , les chercheurs décrivent un émetteur et un détecteur de lumière qui peuvent être intégrés dans des puces CMOS en silicium. Le premier auteur de l'article est le postdoctorant du MIT Ya-Qing Bie, qui est rejoint par Jarillo-Herrero et une équipe interdisciplinaire comprenant Dirk Englund, professeur agrégé de génie électrique et d'informatique au MIT.

L'appareil est construit à partir d'un matériau semi-conducteur appelé ditellurure de molybdène. Ce semi-conducteur ultramince appartient à un groupe émergent de matériaux connus sous le nom de dichalcogénures de métaux de transition bidimensionnels.

Contrairement aux semi-conducteurs conventionnels, le matériau peut être empilé sur des plaquettes de silicium, dit Jarillo-Herrero.

"Les chercheurs ont essayé de trouver des matériaux compatibles avec le silicium, afin d'apporter sur puce l'optoélectronique et la communication optique, mais jusqu'à présent, cela s'est avéré très difficile, " dit Jarillo-Herrero. " Par exemple, l'arséniure de gallium est très bon pour l'optique, mais il ne peut pas être cultivé très facilement sur du silicium car les deux semi-conducteurs sont incompatibles."

En revanche, le ditellurure de molybdène 2-D peut être fixé mécaniquement sur tout matériau, dit Jarillo-Herrero.

Une autre difficulté avec l'intégration d'autres semi-conducteurs avec du silicium est que les matériaux émettent généralement de la lumière dans le domaine visible, mais la lumière à ces longueurs d'onde est simplement absorbée par le silicium.

Le ditellurure de molybdène émet de la lumière dans le domaine infrarouge, qui n'est pas absorbé par le silicium, ce qui signifie qu'il peut être utilisé pour la communication sur puce.

Pour utiliser le matériau comme émetteur de lumière, les chercheurs ont d'abord dû la convertir en une diode à jonction P-N, un dispositif dans lequel un côté, le côté P, est chargé positivement, tandis que l'autre, côté N, est chargé négativement.

Dans les semi-conducteurs conventionnels, cela se fait généralement en introduisant des impuretés chimiques dans le matériau. Avec la nouvelle classe de matériaux 2D, cependant, cela peut être fait en appliquant simplement une tension aux électrodes de grille métalliques placées côte à côte sur le matériau.

"C'est une percée importante, car cela signifie que nous n'avons pas besoin d'introduire d'impuretés chimiques dans le matériau [pour créer la diode]. Nous pouvons le faire électriquement, " dit Jarillo-Herrero.

Une fois la diode réalisée, les chercheurs font passer un courant dans l'appareil, l'amenant à émettre de la lumière.

"Donc, en utilisant des diodes en molybdène ditellurure, nous sommes capables de fabriquer des diodes électroluminescentes (LED) compatibles avec les puces silicium, " dit Jarillo-Herrero.

L'appareil peut également être commuté pour fonctionner comme un photodétecteur, en inversant la polarité de la tension appliquée à l'appareil. Cela l'amène à cesser de conduire l'électricité jusqu'à ce qu'une lumière l'éclaire, quand le courant redémarre.

De cette façon, les appareils sont capables à la fois de transmettre et de recevoir des signaux optiques.

L'appareil est une preuve de concept, et beaucoup de travail reste à faire avant que la technologie puisse être développée en un produit commercial, dit Jarillo-Herrero.

Les chercheurs étudient maintenant d'autres matériaux qui pourraient être utilisés pour la communication optique sur puce.

La plupart des systèmes de télécommunication, par exemple, fonctionner à l'aide d'une lumière d'une longueur d'onde de 1,3 ou 1,5 micromètres, dit Jarillo-Herrero.

Cependant, Le ditellurure de molybdène émet de la lumière à 1,1 micromètre. Cela le rend approprié pour une utilisation dans les puces de silicium trouvées dans les ordinateurs, mais inadapté aux systèmes de télécommunications.

« Il serait hautement souhaitable si nous pouvions développer un matériau similaire, qui pourrait émettre et détecter de la lumière à 1,3 ou 1,5 micromètres de longueur d'onde, où opère la télécommunication par fibre optique, " il dit.

À cette fin, les chercheurs explorent un autre matériau ultrafin appelé phosphore noir, qui peut être réglé pour émettre de la lumière à différentes longueurs d'onde en modifiant le nombre de couches utilisées. Ils espèrent développer des dispositifs avec le nombre de couches nécessaire pour leur permettre d'émettre de la lumière aux deux longueurs d'onde tout en restant compatible avec le silicium.

"L'espoir est que si nous sommes capables de communiquer sur puce via des signaux optiques au lieu de signaux électroniques, nous pourrons le faire plus rapidement, et tout en consommant moins d'énergie, " dit Jarillo-Herrero.