Pour la première fois, des chercheurs ont fabriqué des diodes laser infrarouge moyen hautes performances directement sur des substrats de silicium compatibles avec la microélectronique. Les nouveaux lasers pourraient permettre le développement généralisé de capteurs à faible coût pour le temps réel, détection environnementale précise pour des applications telles que la surveillance de la pollution atmosphérique, analyse de la sécurité alimentaire, et détecter les fuites dans les canalisations.

"La plupart des capteurs chimiques optiques sont basés sur l'interaction entre la molécule d'intérêt et la lumière infrarouge moyen, " a déclaré le chef de l'équipe de recherche Eric Tournié de l'Université de Montpellier en France. " La fabrication de lasers dans l'infrarouge moyen sur du silicium compatible avec la microélectronique peut réduire considérablement leur coût car ils peuvent être fabriqués en utilisant les mêmes techniques de traitement à haut volume utilisées pour fabriquer la microélectronique de silicium qui alimentent les téléphones portables et les ordinateurs."

La nouvelle approche de fabrication est décrite dans Optique , Le journal de l'Optical Society (OSA) pour la recherche à fort impact. Les travaux ont été réalisés dans les installations EXTRA et dans le cadre du consortium REDFINCH, qui se développe en miniaturisé, capteurs optiques portables à bas prix pour la détection chimique dans les gaz et les liquides.

« Pour ce projet, nous travaillons en amont en développant des dispositifs photoniques pour les futurs capteurs, " dit Tournié. " Plus tard, ces nouveaux lasers dans l'infrarouge moyen pourraient être combinés avec des composants photoniques au silicium pour créer des capteurs photoniques intégrés."

Fabrication compatible avec l'industrie

Les diodes laser sont constituées de matériaux semi-conducteurs qui convertissent l'électricité en lumière. La lumière infrarouge moyenne peut être créée à l'aide d'un type de semi-conducteur connu sous le nom de III-V. Pendant une dizaine d'années, les chercheurs ont travaillé sur le dépôt d'un matériau semi-conducteur III-V sur du silicium en utilisant une méthode connue sous le nom d'épitaxie.

Bien que les chercheurs aient précédemment démontré des lasers sur des substrats de silicium, ces substrats n'étaient pas compatibles avec les normes de l'industrie pour la fabrication de la microélectronique. Lors de l'utilisation de silicium compatible avec l'industrie, les différences dans les structures matérielles du silicium et du semi-conducteur III-V provoquent la formation de défauts.

"Un défaut particulier appelé limite anti-phase est un tueur d'appareil car il crée des courts-circuits, " dit Tournié. " Dans ce nouvel ouvrage, nous avons développé une approche épitaxiale qui empêche ces défauts d'atteindre la partie active d'un appareil."

Les chercheurs ont également amélioré le processus utilisé pour fabriquer la diode laser à partir du matériau épitaxié. Par conséquent, ils ont pu créer une structure laser entière sur un substrat de silicium compatible avec l'industrie avec un seul passage d'un outil d'épitaxie.

Lasers hautes performances

Les chercheurs ont démontré la nouvelle approche en produisant des diodes laser dans l'infrarouge moyen qui fonctionnaient en mode onde continue et présentaient de faibles pertes optiques. Ils prévoient maintenant d'étudier la durée de vie des nouveaux dispositifs et le lien entre cette durée de vie et le mode de fabrication et de fonctionnement des dispositifs.

Ils disent qu'une fois que leur méthode est pleinement mature, l'épitaxie de lasers sur de grands substrats de silicium (jusqu'à 300 millimètres de diamètre) à l'aide d'outils de microélectronique en silicium améliorera le contrôle du processus de fabrication. Cette volonté, à son tour, réduire davantage les coûts de fabrication du laser et permettre la conception de nouveaux dispositifs. Les nouveaux lasers pourraient également être combinés à des circuits intégrés photoniques passifs au silicium ou à la technologie CMOS pour créer de petits, à bas prix, capteurs photoniques intelligents pour les mesures de gaz et de liquides à haute sensibilité.

« Le matériau semi-conducteur avec lequel nous travaillons permet la fabrication de lasers ou de photodétecteurs fonctionnant dans une large gamme spectrale, de 1,5 microns (bande télécom) à 25 microns (infrarouge lointain), " a déclaré Tournié. " Notre méthode de fabrication peut être appliquée dans n'importe quel domaine où l'on a besoin d'intégrer des semi-conducteurs III-V sur des plates-formes de silicium. Par exemple, nous avons déjà fabriqué des lasers à cascade quantique émettant à 8 microns en appliquant cette nouvelle approche épitaxiale."