Avancée majeure dans l’intégration de dispositifs optoélectroniques sur du silicium

C’est une avancée majeure dans l’informatique photonique que des chercheurs de l’Université de Pennsylvanie ont annoncée. Pour la première fois, des scientifiques ont réussi à faire émettre de la lumière dans un très large spectre par du silicium. Ces travaux pourraient aboutir à l’utilisation conjointe d’éléments électroniques et optoélectroniques sur une même puce.

La recherche a été menée par le professeur Agarwal Ritesh du Département de science des matériaux de l’Université de Pennsylvanie. Les travaux ont fait l’objet d’une publication dans la revue Nature Photonics.

Un défi quantique à relever

Certains matériaux semi-conducteurs ont cette capacité d’émettre directement de la lumière lorsqu’on leur transmet de l’énergie, et ce sans dissiper d’énergie sous forme de chaleur.

Ce phénomène est mis en œuvre dans les diodes électroluminescentes (LED). Mais obtenir le même phénomène directement à partir du silicium relevait de la gageure puisqu’il est connu pour être médiocre lorsqu’il s’agit d’émettre de la lumière. Il a en effet tendance à transformer l’énergie transmise en chaleur.

D’autres matériaux tels que le sulfure de cadmium présentent des qualités photoniques bien connues, mais disposent de mauvaises propriétés électriques.

« Le problème est que les appareils électroniques sont réalisés à partir de silicium et les dispositifs photoniques ne le sont généralement pas, résume Agarwal Ritesh. Le silicium n’émet pas de lumière et les matériaux qui le font ne sont pas nécessairement les meilleurs matériaux pour la fabrication de dispositifs électroniques. »

Des chercheurs ont bien tenté d’améliorer les propriétés optiques du silicium en le dopant notamment avec d’autres matériaux. Mais ils se sont heurtés à différents problèmes obtenant par exemple une émission de lumière uniquement dans la gamme de longueurs d’onde très longue. La lumière n’est donc pas visible et dégrade de surcroît les propriétés électroniques.

Les cavités plasmoniques à l’origine des travaux

Pour relever le défi, l’équipe d’Agarwal Ritesh a repris ses recherches antérieures portant sur les cavités plasmoniques. Celles-ci consistaient en la création de nanofils en sulfure de cadmium enveloppés d’une couche de dioxyde de silicium puis d’une couche d’argent.

Les plasmons sont des oscillations d’un gaz d’électrons, ici, ceux issus de l’argent. Les poches de résonances plasmoniques confinées ainsi créées oscillent à des fréquences optiques et de la lumière est donc émise au sein de la nanostructure.

La particularité de ces nanofils en semi-conducteurs est de ne pas libérer de chaleur (étape de refroidissement), mais de passer directement de l’état excité du semi-conducteur à l’état fondamental. Ceci ouvrait donc la possibilité de produire de la lumière à partir de semi-conducteurs tels que le silicium.

L’équipe de chercheurs a alors enrobé des nanofils de silicium pur de la même manière, d’abord avec une couche de verre puis une autre d’argent. Ils ont excité le nanofil à un niveau d’énergie précis correspondant à la longueur d’onde du laser bleu. Une lumière blanche couvrant tout le spectre visible a alors été émise par le nanofil.

La porte est dès lors ouverte pour intégrer des éléments optoélectroniques et électroniques sur un même dispositif, d’autant plus qu’il devrait être possible d’exciter les nanofils de silicium électriquement.

« Si vous pouvez permettre au silicium d’émettre lui-même de la lumière, vous n’avez pas besoin d’avoir une source externe de lumière sur la puce, précise Agarwal Ritesh. On pourrait exciter le silicium électriquement et obtenir le même effet, et nous pouvons le faire fonctionner avec des fils de 20 à 100 nanomètres de diamètre, ce qui est très compatible en termes d’échelle de longueur avec l’électronique actuelle. »