L'émission de lumière à partir du silicium est le Saint Graal de l'industrie de la microélectronique depuis des décennies. Résoudre ce puzzle révolutionnerait l'informatique, car les puces deviendront plus rapides que jamais. Des chercheurs de l'Université de technologie d'Eindhoven ont maintenant développé un alliage avec du silicium qui peut émettre de la lumière. Les résultats ont été publiés dans la revue La nature . L'équipe va maintenant développer un laser au silicium à intégrer dans les puces actuelles.

La technologie actuelle basée sur les semi-conducteurs atteint son plafond. Le facteur limitant est la chaleur, résultant de la résistance que les électrons subissent lorsqu'ils traversent les lignes de cuivre reliant les nombreux transistors d'une puce. Pour continuer à faire progresser le transfert de données, il faut une nouvelle technique qui ne produit pas de chaleur.

Contrairement aux électrons, les photons ne subissent pas de résistance. Comme ils n'ont ni masse ni charge, ils se disperseront moins dans la matière qu'ils traversent, et donc aucune chaleur n'est produite. La consommation d'énergie sera donc réduite. De plus, en remplaçant la communication électrique au sein d'une puce par une communication optique, la vitesse de la communication sur puce et puce à puce peut être multipliée par 1000. Les centres de données en bénéficieraient le plus, avec un transfert de données plus rapide et une consommation d'énergie moindre pour les systèmes de refroidissement. Mais ces puces photoniques apporteront également de nouvelles applications à portée de main. Pensez au radar laser pour les voitures autonomes et aux capteurs chimiques pour le diagnostic médical ou pour mesurer la qualité de l'air et des aliments.

L'électron qui tombe émet un photon

L'utilisation de la lumière dans les puces nécessite un laser intégré. Le principal matériau semi-conducteur dont sont faites les puces informatiques est le silicium. Mais le silicium en vrac est extrêmement inefficace pour émettre de la lumière, et on a longtemps pensé qu'il ne jouait aucun rôle dans la photonique. Ainsi, les scientifiques se sont tournés vers des semi-conducteurs plus complexes, tels que l'arséniure de gallium et le phosphure d'indium. Ceux-ci sont bons pour émettre de la lumière, mais sont plus chers que le silicium, et sont difficiles à intégrer dans les puces de silicium existantes.

Pour créer un laser compatible silicium, les scientifiques avaient besoin de produire une forme de silicium capable d'émettre de la lumière. Chercheurs de l'Université de technologie d'Eindhoven (TU/e), avec des chercheurs des universités d'Iéna, Linz et Munich, silicium et germanium combinés dans une structure hexagonale capable d'émettre de la lumière, une percée après 50 ans de travail.

Structure hexagonale

"Le point crucial est dans la nature de ce qu'on appelle la bande interdite d'un semi-conducteur, " dit le chercheur principal Erik Bakkers de TU/e. " Si un électron " tombe " de la bande de conduction à la bande de valence, un semi-conducteur émet un photon :la lumière."

Mais si la bande de conduction et la bande de valence sont déplacées l'une par rapport à l'autre, ce qu'on appelle une bande interdite indirecte, aucun photon ne peut être émis, comme c'est le cas dans le silicium. "Une théorie vieille de 50 ans a montré, cependant, que le silicium allié au germanium et façonné dans une structure hexagonale a une bande interdite directe, et pourrait donc potentiellement émettre de la lumière, " dit Bakkers.

Mise en forme du silicium dans une structure hexagonale, cependant, n'est pas facile. Alors que Bakkers et son équipe maîtrisaient la technique de croissance des nanofils, ils ont pu créer du silicium hexagonal en 2015. Ils ont réalisé du silicium hexagonal pur en faisant d'abord croître des nanofils fabriqués à partir d'un autre matériau avec une structure cristalline hexagonale. Ensuite, ils ont fait pousser une coque en silicium-germanium sur ce gabarit. Elham Fadaly, premier auteur partagé de la La nature papier, dit, "Nous avons pu faire cela de telle sorte que les atomes de silicium soient construits sur le modèle hexagonal, et par cela a forcé les atomes de silicium à croître dans la structure hexagonale."

Laser au silicium

Mais ils ne pouvaient pas les faire émettre de la lumière, jusqu'à maintenant. L'équipe de Bakkers a réussi à augmenter la qualité des coques hexagonales en silicium-germanium en réduisant le nombre d'impuretés et de défauts cristallins. Lors de l'excitation du nanofil avec un laser, ils pourraient mesurer l'efficacité du nouveau matériel. Alain Dijkstra, partagé le premier auteur et le chercheur chargé de mesurer l'émission lumineuse, dit, "Nos expériences ont montré que le matériau a la bonne structure, et qu'il est exempt de défauts. Il émet de la lumière très efficacement."

Créer un laser est maintenant une question de temps, dit Bakkers. " A présent, nous avons réalisé des propriétés optiques presque comparables au phosphure d'indium et à l'arséniure de gallium, et la qualité des matériaux s'améliore fortement. Si les choses se passent bien, nous pouvons créer un laser à base de silicium en 2020. Cela permettrait une intégration étroite des fonctionnalités optiques dans la plate-forme électronique dominante, ce qui ouvrirait les perspectives de communication optique sur puce et de capteurs chimiques abordables basés sur la spectroscopie. »

En attendant, son équipe étudie également comment intégrer le silicium hexagonal dans la microélectronique du silicium cubique, ce qui est une condition préalable importante à ce travail. Ce projet de recherche a été financé par le projet européen SiLAS, coordonné par le professeur TU/e ​​Jos Haverkort.