Lasers au silicium

Les puces en silicium, les microprocesseurs de la taille d'une vignette qui constituent le cerveau d'un PC, se dirigent vers un désastre créé par leur propre succès remarquable. À mesure que les puces deviennent plus rapides, les électrons qui transportent les messages à travers les minuscules fils métalliques du circuit intégré ont du mal à suivre.

Un endroit où ce problème imminent est particulièrement aigu est celui des horloges ultrarapides utilisées pour rythmer le calcul. En gros, des horloges plus rapides signifient un calcul plus rapide ; les microprocesseurs fonctionnent désormais à des fréquences d'horloge supérieures à un gigahertz (un milliard d'impulsions par seconde) et sont de plus en plus rapides. Bientôt, déclare Lionel Kimerling, directeur du Centre de microphotonique du MIT, les électrons se déplaçant à travers les fils métalliques seront tout simplement trop lents pour suivre le rythme. Supposons que quelque part dans le futur se trouve une horloge à 10 gigahertz. Il est impossible de distribuer ce genre de signal électriquement, explique-t-il. La solution, dit Kimerling, consiste en de minuscules lasers pulsés qui peuvent distribuer les signaux d'horloge à travers la puce du processeur. Intel pense que trois gigahertz est un gros problème, dit Kimerling, et c'est dans environ deux ans.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de juin 2001

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Plus d'une douzaine de groupes de recherche s'affrontent pour développer des dispositifs optiques miniatures capables de s'intégrer directement dans la puce de silicium. Ce serait une sorte de réseau optique pour transporter les données autour du microprocesseur, augmentant ses capacités de la même manière que la fibre optique a transformé les télécommunications. Mais il y a un problème : le silicium est un mauvais émetteur de lumière.

La malédiction du silicium est qu'il est, dans le jargon des physiciens, un matériau à bande interdite indirecte. D'autres matériaux semi-conducteurs sont de bons émetteurs de lumière car lorsque leurs électrons sont poussés à une énergie plus élevée par un courant, les électrons peuvent retomber et déclencher un photon dans le processus. Pompez rapidement beaucoup d'électrons dans un état d'énergie plus élevé et vous pouvez fabriquer un laser. C'est ainsi par exemple que fonctionne le laser à semi-conducteur utilisé dans un lecteur DVD. Mais les lois de la physique disent que les électrons du silicium ne peuvent pas revenir directement à un état inférieur. En conséquence, l'électron cède généralement son énergie sous forme de chaleur plutôt que de lumière.

Il existe deux stratégies pour surmonter le problème de la lumière du silicium. Certains chercheurs, dont des collègues de Kimerling au Microphotonics Center du MIT, développent des émetteurs de lumière et des détecteurs fabriqués à partir de semi-conducteurs semblables au silicium, comme l'arséniure de gallium, qui peuvent être greffés directement sur des puces de silicium. D'autres groupes ont trouvé des moyens de faire en sorte que le silicium lui-même émette la lumière souhaitée.

En 1996, Philippe Fauchet et ses collègues de l'université de Rochester ont signalé une diode électroluminescente en silicium. L'appareil avait une caractéristique importante : un courant électrique plutôt qu'un autre laser ou source lumineuse pouvait être utilisé pour déclencher l'émission de lumière. Mais, dit Fauchet, l'efficacité de l'appareil à émettre de la lumière est trop faible pour intéresser les fabricants de puces. Dans ces appareils électroluminescents, le rendement énergétique est d'environ 0,1 %, explique-t-il. Mais la norme minimale acceptable dans l'industrie est de 1% avant qu'ils ne vous parlent.

Les pouvoirs d'émission de lumière du silicium ont été renforcés en novembre dernier lorsque Lorenzo Pavesi de l'Université de Trente en Italie a découvert que les nanoparticules de silicium pouvaient amplifier la lumière. Ce qui a rendu cela passionnant, c'est que l'amplification est la première étape vers la fabrication d'un laser au silicium. Avec un laser, c'est un tout nouveau jeu de balle, dit Fauchet. Certains des problèmes d'efficacité disparaissent. Les nanocristaux, cependant, doivent être stimulés par un laser plutôt que par un courant électrique.

Puis, en mars, un groupe dirigé par Kevin Homewood de l'Université de Surrey en Angleterre a découvert un autre moyen de faire briller le silicium par lui-même. Notre approche utilise une technologie au silicium absolument standard, explique Homewood. Ces diodes électroluminescentes à base de silicium ne sont pas optimisées pour l'efficacité, reconnaît Homewood, mais il dit qu'elles ne sont qu'un facteur trois des diodes électroluminescentes conventionnelles. La prochaine étape de Homewood est d'essayer d'obtenir une action laser. Je ne pense certainement pas que la physique soit contre nous, dit-il.

Malgré ces indices de succès alléchants, Fauchet affirme que la recherche sur le silicium électroluminescent fait face à des défis difficiles. Le problème avec tous ces appareils, y compris le nôtre, c'est leur faible efficacité, dit-il. Comme recherche, c'est très intéressant, mais Intel ne saute pas encore.

Pourtant, l'avenir de la microphotonique sur silicium est prometteur. Qu'il s'agisse de lasers au silicium ou d'émetteurs de lumière fabriqués à partir d'un autre semi-conducteur, Kimerling dit que l'intégration de dispositifs optiques dans des puces de silicium est la prochaine grande étape de la photonique. Pour une industrie de puces de plusieurs milliards de dollars construite autour du silicium, l'horloge avance rapidement vers un moyen de franchir cette étape.

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