La dernière pièce manquante de la photonique au silicium
Une équipe de recherche internationale franchit une étape importante
Des scientifiques du Forschungszentrum Jülich (FZJ), de l'université de Stuttgart et de l'Institut Leibniz pour la microélectronique de haute performance (IHP), ainsi que leur partenaire français CEA-Leti, ont mis au point le premier laser semi-conducteur à ondes continues pompé électriquement et composé exclusivement d'éléments du quatrième groupe du tableau périodique, le "groupe du silicium". Construit à partir de couches ultrafines de silicium-germanium-étain et de germanium-étain empilées, ce nouveau laser est le premier de ce type à être cultivé directement sur une plaquette de silicium, ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour la photonique intégrée sur puce. Les résultats ont été publiés dans la célèbre revue scientifique Nature Communications.
La croissance rapide de l'intelligence artificielle (IA) et de l'internet des objets (IoT) stimule la demande de matériel de plus en plus puissant et économe en énergie. La transmission optique de données, qui permet de transférer de grandes quantités de données tout en minimisant la perte d'énergie, est déjà la méthode privilégiée pour les distances supérieures à un mètre et s'avère avantageuse même pour les distances plus courtes. Cette évolution laisse présager que les futures puces électroniques seront dotées de circuits intégrés photoniques (PIC) à faible coût, ce qui permettra de réaliser d'importantes économies et d'améliorer les performances.
Ces dernières années, des progrès significatifs ont été réalisés dans l'intégration monolithique de composants optiquement actifs sur des puces en silicium. Des composants clés, notamment des modulateurs, des photodétecteurs et des guides d'ondes à haute performance, ont été développés. Cependant, l'absence d'une source de lumière efficace, pompée électriquement et utilisant uniquement des semi-conducteurs du groupe IV, constitue un défi de longue date. Jusqu'à présent, ces sources de lumière reposaient traditionnellement sur des matériaux III-V, qui sont difficiles et donc coûteux à intégrer au silicium. Ce nouveau laser comble cette lacune, en le rendant compatible avec la technologie CMOS conventionnelle pour la fabrication des puces et en permettant une intégration transparente dans les processus de fabrication de silicium existants. Il pourrait donc être considéré comme la "dernière pièce manquante" dans la boîte à outils de la photonique du silicium.
"Nous explorons les possibilités fascinantes des alliages germanium-étain (GeSn) depuis près d'une décennie. Le développement d'un laser efficace, pompé électriquement, a été l'un de nos principaux objectifs depuis le tout début. Cette percée est une nouvelle preuve de l'énorme potentiel des alliages GeSn pour différentes applications, dans ce cas précis pour des applications photoniques", Dr. Dan Buca, Peter Grünberg Institute - Semiconductor Nanoelectronics (PGI-9).
Pour la première fois, les chercheurs ont démontré le fonctionnement en ondes continues d'un laser du groupe IV pompé électriquement sur silicium. Contrairement aux précédents lasers germanium-étain qui dépendaient d'un pompage optique à haute énergie, ce nouveau laser fonctionne avec une faible injection de courant de seulement 5 milliampères (mA) à 2 volts (V), ce qui est comparable à la consommation d'énergie d'une diode électroluminescente. Grâce à sa structure avancée à puits quantiques multiples et à sa géométrie en anneau, le laser minimise la consommation d'énergie et la production de chaleur, ce qui permet un fonctionnement stable jusqu'à 90 kelvins (K) ou moins 183,15 degrés Celsius (°C).
Cultivé sur des plaquettes de silicium standard, comme celles utilisées pour les transistors en silicium, il représente le premier laser du groupe IV véritablement "utilisable", bien que d'autres optimisations soient nécessaires pour réduire encore le seuil d'émission et parvenir à un fonctionnement à température ambiante. Toutefois, le succès des précédents lasers à étain-germanium pompés optiquement, qui sont passés de la cryogénie à la température ambiante en quelques années seulement, laisse entrevoir une voie claire pour l'avenir.
Dans un laser à pompage optique, une source de lumière externe est nécessaire pour générer la lumière de lasing, tandis que le laser à pompage électrique génère de la lumière lorsqu'un courant électrique passe à travers la diode. Les lasers à pompage électrique sont généralement plus efficaces sur le plan énergétique, car ils convertissent directement l'électricité en lumière laser.
Le groupe de recherche, dirigé par le Dr Buca du Forschungszentrum Jülich's PGI-9, travaille depuis des années sur les alliages du groupe IV à base d'étain, en collaboration avec des partenaires tels que l'IHP, l'université de Stuttgart, le CEA-Leti, le C2N-Université Paris-Sud et le Politecnico di Milano. Ils ont déjà démontré le potentiel des applications en photonique, électronique, thermoélectrique et spintronique. Avec cette nouvelle réalisation, la vision de la photonique du silicium comme solution tout-en-un pour les puces de la prochaine génération est désormais à portée de main.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Lukas Seidel, Teren Liu, Omar Concepción, Bahareh Marzban, Vivien Kiyek, Davide Spirito, Daniel Schwarz, Aimen Benkhelifa, Jörg Schulze, Zoran Ikonic, Jean-Michel Hartmann, Alexei Chelnokov, Jeremy Witzens, Giovanni Capellini, Michael Oehme, Detlev Grützmacher, Dan Buca; "Continuous-wave electrically pumped multi-quantum-well laser based on group-IV semiconductors"; Nature Communications, Volume 15, 2024-12-3
Autres actualités du département science
Recevez les dernières actualités de l’industrie chimique
Ne manquez plus aucune actualité : notre newsletter consacrée à l'industrie chimique, aux méthodes analytiques, aux laboratoires et à la technologie des processus vous informe tous les mardis et jeudis. Les dernières nouvelles du secteur, les produits phares et les innovations - de manière compacte et compréhensible dans votre boîte de réception. Recherché par nos soins, pour que vous n'ayez pas à le faire.
