Images de microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) d'une des hétérostructures Ge/SiGe à différents grossissements. Les couches SiGe apparaissent plus sombres. Crédit :Università Roma Tre, Groupe De Seta
En matière de microélectronique, il y a un élément chimique pas comme les autres :le silicium, le cheval de bataille de la technologie des transistors qui anime notre société de l'information. Les innombrables appareils électroniques que nous utilisons dans la vie quotidienne témoignent de la façon dont aujourd'hui de très gros volumes de composants à base de silicium peuvent être produits à très faible coût. Cela semble naturel, alors, d'utiliser le silicium également dans d'autres domaines où les propriétés des semi-conducteurs - comme le silicium en est un - sont exploitées technologiquement, et d'explorer des moyens d'intégrer différentes fonctionnalités. Les lasers à diodes sont particulièrement intéressants dans ce contexte. tels que ceux utilisés dans les lecteurs de codes-barres ou les pointeurs laser, qui sont généralement à base d'arséniure de gallium (GaAs). Malheureusement cependant, les processus physiques qui créent de la lumière dans GaAs ne fonctionnent pas aussi bien dans le silicium. Il reste donc un exceptionnel, et de longue date, objectif de trouver une alternative à la réalisation d'un "laser sur silicium".
Ecrire aujourd'hui en Lettres de physique appliquée , une équipe internationale dirigée par les professeurs Giacomo Scalari et Jérôme Faist de l'Institut d'électronique quantique présente une étape importante vers un tel dispositif. Ils rapportent une électroluminescence - génération de lumière électrique - à partir d'une structure semi-conductrice à base de silicium-germanium (SiGe), un matériau compatible avec les procédés de fabrication standard utilisés pour les dispositifs en silicium. De plus, l'émission qu'ils ont observée est dans la bande de fréquence térahertz, qui se situe entre ceux de l'électronique hyperfréquence et de l'optique infrarouge, et présente un grand intérêt actuel en vue d'une variété d'applications.
Faire briller le silicium
La principale raison pour laquelle le silicium ne peut pas être utilisé directement pour construire un laser suivant le gabarit GaAs est liée à la nature différente de leurs bandes interdites, qui est direct dans le second mais indirect dans le premier. En un mot, dans GaAs, les électrons se recombinent avec des trous à travers la bande interdite produisant de la lumière ; en silicium, ils produisent de la chaleur. L'action laser dans le silicium nécessite donc une autre voie. Et explorer une nouvelle approche, c'est ce que font le doctorant de l'ETH David Stark et ses collègues. Ils travaillent sur un laser à cascade quantique (QCL) à base de silicium. Les QCL réalisent une émission de lumière non par recombinaison électron-trou à travers la bande interdite, mais en laissant les électrons passer à travers des empilements répétés de structures semi-conductrices conçues avec précision, au cours duquel des photons sont émis.
Le paradigme QCL a été démontré dans de nombreux matériaux — pour la première fois en 1994 par une équipe comprenant Jérôme Faist, puis travaillant chez Bell Laboratories aux États-Unis, mais jamais dans des laboratoires à base de silicium, malgré des prévisions prometteuses. Transformer ces prédictions en réalité est au cœur d'un projet interdisciplinaire financé par la Commission européenne, rassemblant une équipe d'experts de premier plan dans la culture de matériaux semi-conducteurs de la plus haute qualité (à l'Università Roma Tre), les caractériser (au Leibniz-Institut für innovant Mikroelektronik à Francfort-sur-l'Oder) et les fabriquer en dispositifs (à l'Université de Glasgow). Le groupe ETH de Scalari et Faist est chargé d'effectuer les mesures sur les appareils, mais aussi pour la conception du laser, avec le soutien numérique et théorique des partenaires de la société nextnano à Munich et des universités de Pise et de Rome.
Comme les électrons traversent l'hétérostructure Ge/SiGe, ils émettent de la lumière, actuellement à deux fréquences légèrement différentes, en raison d'une injection sous-optimale dans l'état supérieur de la transition radiative. Crédit :ETH Zurich/David Stark
De l'électroluminescence au laser
Avec ces connaissances et cette expertise combinées, l'équipe a conçu et construit des dispositifs avec une structure unitaire en SiGe et germanium pur (Ge), moins de 100 nanomètres de hauteur, qui se répète 51 fois. A partir de ces hétérostructures, fabriqué avec une précision essentiellement atomique, Stark et ses collègues ont détecté une électroluminescence, comme prédit, les caractéristiques spectrales de la lumière émergente concordant bien avec les calculs. Une autre confiance que les dispositifs fonctionnent comme prévu est venue d'une comparaison avec une structure à base de GaAs qui a été fabriquée avec une géométrie de dispositif identique. Alors que l'émission de la structure Ge/SiGe est encore nettement inférieure à celle de son homologue à base de GaAs, ces résultats indiquent clairement que l'équipe est sur la bonne voie. La prochaine étape sera maintenant d'assembler des structures Ge/SiGe similaires selon une conception laser que l'équipe a développée. L'objectif ultime est d'atteindre le fonctionnement à température ambiante d'un QCL à base de silicium.
Une telle réalisation serait importante à plusieurs égards. Non seulement le ferait-il, enfin, réaliser un laser sur un substrat de silicium, donnant ainsi un coup de fouet à la photonique sur silicium. L'émission de la structure créée par Stark et al. est dans la région du térahertz, pour lesquels les sources lumineuses actuellement compactes font largement défaut. QCL à base de silicium, avec leur polyvalence potentielle et leur coût de fabrication réduit, pourrait être une aubaine pour l'utilisation à grande échelle du rayonnement térahertz dans les domaines d'application existants et nouveaux, de l'imagerie médicale à la communication sans fil.
