Des chercheurs du célèbre MIT (Massachusetts Institute of Technology) ont présenté le premier laser construit à partir de germanium qui peut émettre de la lumière à des longueurs d'ondes potentiellement exploitables pour des communications optiques. C'est également le premier laser au germanium à fonctionner à température ambiante. Contrairement à d'autres matériaux généralement utilisés dans les lasers, le germanium est facile à incorporer dans les processus existants de fabrication des puces en silicium. Ainsi le résultat pourrait aboutir à une amélioration significative dans le domaine des ordinateurs en exploitant de la lumière à la place de l'électricité.

D'un point de vue plus fondamental, les chercheurs ont montré que, contrairement à une croyance bien ancrée, une catégorie de matériaux appelée semiconducteurs à gap indirect pouvaient déboucher sur des lasers parfaitement opérationnels.

Au fur et à mesure que la puissance de calcul informatique croît, il faut des connexions de plus en plus rapides pour acheminer les données vers la mémoire. À cet égard, les connexions électriques conventionnelles montreront bientôt leurs limites, car elles demanderont trop de puissance pour transporter les données à des taux encore plus élevés. La transmission des données avec des lasers pourrait se montrer bien plus efficace, mais une telle technologie exige de développer une méthode peu coûteuse pour intégrer des composants optiques et électroniques sur des puces en silicium.

Les lasers utilisés aujourd'hui dans les systèmes de communication sont fabriqués à partir de matériaux coûteux comme l'arséniure de gallium, et ils doivent être construits séparément et ensuite greffés sur les puces, ce qui est plus cher et prend plus de temps que de les fabriquer directement sur le silicium. Toutefois, l'intégration de germanium dans le process de fabrication est quelque chose que pratiquement tous les fondeurs majeurs ont déjà commencé à faire, dans la mesure où l'apport de germanium accroît la vitesse des puces en silicium.

Comment ça marche ? Dans un cristal semiconducteur, un électron excité, c'est-à-dire auquel de l'énergie a été ajoutée, va se libérer et entrer ainsi dans la bande de conduction, dans laquelle il va pouvoir se mouvoir librement autour du cristal. Mais en réalité, un électron dans la bande de conduction peut être dans l'un des deux états. Si l'électron se trouve dans le premier état, il peut tomber hors de la bande de conduction en émettant l'énergie supplémentaire sous la forme d'un photon. S'il se trouve dans le second état, il va émettre son énergie sous une autre forme, par exemple sous forme de chaleur.

Dans les semiconducteurs à gap indirect, le premier état - qui émet un photon - est un état d'énergie moindre que le second état ; dans les matériaux à gap direct, les choses se passent dans l'ordre inverse. Un photon excité va naturellement occuper l'état de plus faible énergie qu'il puisse trouver. Ainsi, dans les semiconducteurs à gap direct comme l'arséniure de gallium, les électrons excités tendent à aller dans l'état émetteur de photons, alors que ce n'est pas le cas des semiconducteurs à gap indirect comme le germanium.

Les chercheurs du MIT ont mis en œuvre deux stratégies pour attirer les électrons excités de germanium vers l'état de plus haute énergie, l'état émetteur de photons. La première stratégie est une technique couramment utilisée dans la fabrication des puces électroniques, appelée "dopage", dans laquelle des atomes sont ajoutés à un cristal semiconducteur. L'équipe du MIT a dopé le germanium avec du phosphore, qui possède cinq électrons externes, alors que le germanium n'en possède que quatre. L'électron additionnel comble l'état de plus basse énergie dans la bande de conduction, obligeant ainsi les électrons excités à déborder sur le niveau de plus haute énergie, l'état d'émission de photons.

La seconde stratégie consiste à abaisser le niveau de différentiel d'énergie entre les deux états de la bande de conduction de telle sorte que les électrons excités seront plus enclins à déborder sur l'état émetteur de photons. Les chercheurs ont réalisé cette opération en adoptant une autre technique bien connue des fondeurs ; ils ont "forcé" le germanium, c'est-à-dire qu'ils ont tiré ses atomes légèrement plus loin que là où ils seraient allés naturellement, en faisant littéralement "pousser" le germanium directement sur une couche de silicium.

La prochaine étape consistera à trouver un moyen d'augmenter la concentration d'atomes de phosphore dans le germanium dopé. Cela devrait accroître le rendement énergétique des lasers, les rendant ainsi plus performants comme sources de lumière pour les connexions de données optiques.

Le projet est subventionné par l'Air Force Office of Scientific Research (AFOSR).

Source : Massachusetts Institute of Technology