Debout face à la machine d’épitaxie en phase vapeur aux organo-métalliques (MOVPE), la chercheuse Claire Besançon prépare des substrats de silicium de 2 pouces de diamètre. Bientôt viendront s’y déposer des atomes d’indium, de phosphore, d’aluminium et de gallium. Dans cette même salle blanche du III-V Lab à Paris-Saclay (groupement d’intérêt économique qui réunit Thales, Nokia et le CEA-Leti), Jean Decobert, à la tête du département de recherche sur l’épitaxie, s’apprête à ouvrir les vannes. « Nous envoyons dans le réacteur des gaz précurseurs, de la phosphine pour le phosphore, du triméthylindium pour l’indium..., détaille-t-il. Nous contrôlons l’épaisseur des couches monocristallines déposées sur le substrat grâce à notre connaissance de la vitesse de croissance des matériaux. La composition de ces couches est déduite des contraintes qu’elles subissent, grâce à des mesures in situ par réflectrométrie. »
À la fin du processus, des empilements séparés et d’épaisseur variable, composés d’alliages de semi-conducteurs III-V – on désigne ainsi leur appartenance aux colonnes III et V du tableau périodique de Mendeleïev –, formeront autant de lasers de quelques micromètres de hauteur. Le transfert des photons au substrat silicium s’opérera par couplage évanescent (le signal optique du laser « déborde » et se propage dans le guide d’ondes situé dessous, dans le silicium). La longueur d’onde d’un laser semi-conducteur étant régie par la composition de ces matériaux et l’épaisseur de leurs couches, plusieurs lasers de couleur différente sont ainsi obtenus à partir d’une seule opération d’épitaxie.
C’est le bénéfice majeur de cette méthode de croissance sélective (SAG, selective area growth), par rapport aux autres techniques d’hétéro-intégration de lasers micrométriques sur silicium [voir les infographies ci-dessous]. Le « die bonding » (collage de puces), qu’Intel a réussi à porter au niveau industriel, réclame autant d’épitaxies de matériaux III-V que de couleurs de lasers souhaitées, avant le collage moléculaire – un recuit renforçant les liaisons covalentes entre les surfaces – de ces structures III-V sur le substrat silicium prêt à l’emploi, puis la fabrication des lasers.
Le silicium inefficace pour produire de la lumière
Il en va de même pour le « micro-transfer printing », moins mature, promu notamment par l’Institut de microélectronique et composants (Imec) en Belgique. Les lasers sont d’abord finalisés sur des substrats III-V épitaxiés différemment, avant qu’ils soient détachés puis collés à l’aide d’un polymère sur le substrat en silicium.
Quel que soit leur degré d’avancement, toutes ces techniques sont mises au point pour répondre à une faiblesse intrinsèque du matériau roi de la microélectronique. « Le silicium est incapable de produire efficacement de la lumière », fait remarquer David Bitauld, le chef du département d’intégration photonique avancée de Nokia Bell Labs. Sa bande interdite, désignant l’écart énergétique entre la bande de valence (électrons liés aux atomes) et la bande de conduction (électrons libres) est indirecte. C’est-à-dire que l’état de plus basse énergie de la bande de conduction et l’état de plus haute énergie de la bande de valence ne correspondent pas au même moment cinétique électronique. De sorte que la recombinaison électron-trou, qui génère les photons du laser, ne peut se produire qu’en faisant intervenir les vibrations du réseau cristallin, soit une troisième particule (phonon), ce qui rend cette recombinaison bien moins probable.
A contrario, les alliages III-V comme le phosphure d’indium (InP) ou l’arséniure de gallium (GaAs) ont leur bande interdite directe : la recombinaison radiative électron-trou n’a pas besoin de phonon. Ces matériaux sont donc beaucoup plus doués pour émettre des photons. « On ne serait pas faire de LED sans les propriétés uniques de ces composés », confirme Jean Decobert.
Pascal Guittet Mesures de spectrométrie pour caractériser la lumière émise par les lasers fabriqués.
La solution la plus évidente et la plus économique serait de faire croître ces composés III-V directement sur le substrat en silicium. Mais ces deux matériaux n’ont pas d’atomes crochus, à cause notamment des paramètres discordants de leurs mailles cristallines respectives, ce qui provoque des dislocations. « Beaucoup de laboratoires continuent de plancher sur ce sujet, mais cette méthode n’a toujours pas abouti à un stade industriel malgré trente années de recherches », se désole Jean Decobert.
D’où le compromis mis en œuvre dans la croissance sélective : le collage moléculaire d’une couche d’InP de quelques centaines de nanomètres d’épaisseur sur la silice en surface du substrat en silicium. Le couplage optique reste excellent et le matériau InP, nettement plus cher que le silicium, est économisé.
Déposées ensuite sur cette couche d’InP, des bandes de silice, matériau diélectrique, agissent comme des masques qui vont cantonner la croissance des matériaux III-V épitaxiés sur les surfaces d’InP adjacentes et découvertes. La largeur variable de ces bandes diélectriques influence l’épaisseur des couches III-V d’un point à l’autre du substrat, et donc les paramètres des lasers que ces couches formeront. Cette croissance sélective, connue depuis les années 1980, est aussi étudiée par NTT et Hewlett-Packard avec l’université de Santa Barbara. Le III-V Lab a œuvré pour la perfectionner.
Florent Robert Une première mondiale
Ici, des bandes d’InP sont retirées chimiquement et laissent à découvert la silice sous-jacente. Les matériaux III-V résultants sont de meilleure qualité, d’après la thèse soutenue par Claire Besançon en 2021 sur ce sujet. La technique est prometteuse : à l’occasion de l’édition 2020 de la Conférence européenne sur la communication optique (Ecoc), le III-V Lab avait fait la démonstration d’un réseau de plusieurs lasers espacés d’un demi-millimètre ayant « poussé » sur un substrat silicium et InP.
La gamme de longueurs d’onde était large de 155 nanomètres autour de la valeur moyenne de 1,55 micromètre utilisée dans les transmissions optiques. Une première mondiale, selon ce laboratoire. Nokia espère tirer profit de cette technique pour améliorer l’intégration et réduire les coûts de ses équipements réseau pour les télécoms. Reste à savoir quand adviendra son déploiement industriel. « C’est un long chemin, mais l’horizon 2030 ne paraît pas irréaliste », conclut Jean Decobert.
La modulation, l’autre limitation du silicium
Le modulateur, dépositaire d’une fonction essentielle en photonique, code l’information numérique en appliquant un champ électrique au signal optique le traversant.
Las, le silicium, déjà mauvais émetteur de lumière, n’excelle pas non plus dans ce registre. « Sa maille cristalline centro-symétrique interdit l’effet Pockels, capable de produire des fréquences de centaines de gigahertz (GHz), explique Laurent Vivien, le responsable du département photonique et directeur adjoint du Centre de nanosciences et nanotechnologies. Il s’agit d’électro-réfraction : l’indice de réfraction du matériau varie selon le champ électrique, ce qui agit sur la phase de l’onde.
Cette modulation de phase peut ensuite être convertie en modulation d’intensité via un interféromètre. » L’alternative consiste à créer une diode de silicium. « En jouant sur la densité des porteurs de charge libres [électrons et trous, ndlr] à l’aide d’une tension électrique, on parvient à faire varier la phase du signal, enchaîne-t-il. Mais le temps de déplacement des porteurs devient une limitation et la fréquence plafonne à 50 GHz. » Employé depuis vingt ans dans les télécoms, le niobate de lithium paraît un choix évident. « Mais il n’est pas compatible avec les fonderies de la microélectronique car le lithium est un contaminant, remarque Laurent Vivien.
Pour cette raison, même si ce matériau marche bien dans les labos, il n’est pas une option privilégiée. » Les autres pistes sont l’intégration d’un alliage de germanium, sensible à un effet d’électro-absorption (le matériau devient opaque ou transparent selon le champ électrique), la stimulation de l’effet Pockels par contrainte mécanique du silicium ou encore les matériaux 2D (graphène...) aux propriétés optiques intéressantes – un domaine très exploratoire. Le peigne de fréquences, qui permet de multiplier le nombre de fréquences à partir d’un seul laser, serait aussi un moyen d’augmenter les débits. Mais aucune de ces solutions émergentes ne satisfait toutes les conditions de compatibilité, de perte optique minimale...
