Un alliage spécial de silicium et de germanium prometteur pour les communications optiques
Le silicium est la pierre angulaire de l’industrie électronique depuis plus de 50 ans. Cependant, le silicium, le germanium et leurs alliages, tels que le SiGe, partagent une structure cristalline qui les rend peu efficaces à émettre de la lumière. Cette limitation a profondément influencé le développement de l’industrie des semi-conducteurs. En conséquence, l’industrie a évolué en deux domaines distincts. D’une part, l’industrie électronique repose sur le silicium, un composant essentiel du traitement électronique avancé, mais qui ne peut fournir une source de lumière pour la communication. D’autre part, l’industrie de la communication dépend des semi-conducteurs III-V, qui sont excellents pour émettre de la lumière, mais qui n’ont pas la capacité de gérer un traitement électronique avancé sur la même puce.
D’une structure cubique à une structure hexagonale
Le développement du SiGe hexagonal (hex-SiGe), un nouveau matériau capable d’émettre de la lumière, a constitué une avancée majeure dans la technologie du silicium, grâce à l’équipe du projet Opto silicon(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) financé par l’UE. Contrairement au SiGe traditionnel, dont les atomes sont disposés en une structure cubique et qui a du mal à émettre de la lumière, l’hex-SiGe est un semi-conducteur à bande interdite directe idéal pour les applications optoélectroniques. Il apporte de nouvelles capacités essentielles à la technologie du silicium, telles que la production de lumière pour les DEL et les lasers, l’amplification de la lumière dans les systèmes optiques et la détection de la lumière.
Le potentiel du SiGe pour les dispositifs basés sur la lumière et les lasers
L’une des étapes clés a été la démonstration des premiers puits quantiques hex-Ge/SiGe (de minuscules couches de matériaux capables de piéger et de contrôler la lumière) avec des interfaces nettes et propres. L’équipe a observé des signes évidents de confinement des porteurs, ce qui signifie que le matériau peut contrôler le mouvement des électrons et des trous, ce qui est essentiel pour créer des dispositifs d’émission de lumière performants. Les chercheurs ont également confirmé un alignement de bande de type I, une propriété qui rend ces puits quantiques idéaux pour la création de lasers et de sources de photons uniques à base de points quantiques. «Nous avons démontré que les puits quantiques hex-SiGe peuvent émettre de la lumière avec une durée de vie radiative de l’ordre de la nanoseconde, ce qui prouve que le matériau est hautement efficace pour convertir l’énergie en lumière», souligne Jos Haverkort, coordinateur du projet. «En affinant la composition des alliages hex-SiGe, nous avons pu ajuster la longueur d’onde d’émission jusqu’à 1,55 µm à très basse température (4K), ce qui représente une amélioration considérable par rapport aux 1,8 µm précédents.» Une autre avancée a été l’observation d’une augmentation linéaire des modes lumineux confinés à l’intérieur d’un nanofil suspendu. Cette découverte a permis de démontrer clairement l’existence d’une émission stimulée, essentielle pour la création de lasers utilisant l’hex-SiGe. «Nous avons mesuré un gain optique impressionnant de 545 cm^-1 dans l’hex-SiGe, ce qui démontre son haut potentiel d’amplification de la lumière. Nous avons également étudié la manière dont les porteurs d’énergie perdent de l’énergie, un processus connu sous le nom de refroidissement des porteurs», précise Jos Haverkort. «Contrairement à d’autres matériaux, l’hex-SiGe est dépourvu d’interactions de phonons optiques polaires, qui ralentissent généralement le processus de refroidissement. Fait remarquable, le temps de refroidissement des porteurs dans le matériau s’est avéré comparable à celui des structures laser InGaAs/InP.»
Réduire les défauts du cristal
Étant donné que l’hex-SiGe existe dans une phase cristalline métastable, l’équipe a également relevé les défis liés aux défauts d’empilement I3, de fines couches de SiGe cubique se formant occasionnellement dans le cristal hexagonal. L’équipe a considérablement élargi les connaissances relatives à ces défauts et a développé des méthodes permettant de réduire leur densité.
Des dispositifs optoélectroniques de nouvelle génération
Opto silicon a réalisé d’importants progrès dans l’intégration de l’hex-SiGe dans des plateformes de silicium sur isolant, mais il reste encore du travail pour développer pleinement la technologie. Les chercheurs poursuivront leurs travaux dans le cadre du projet Bright Chips, où l’accent sera mis sur l’amélioration des techniques de croissance et l’intégration planaire transparente de l’hex-SiGe.
