Vers les sources optiques compatibles CMOS

Les nanostructures de Si 

Propriétés uniques des nanostructures de Si

 Le Si massif est un semiconducteur qui présente une configuration de bande interdite indirecte, comme montré sur la figure 1.1a. Dans le cas d’un nanocristal de Si, la réduction de la structure cristalline à des dimensions nanométriques va provoquer des modifications de la structure de bandes. On parle de confinement quantique quand la taille des particules est inférieure ou de l’ordre de l’extension spatiale de la fonction d’onde des porteurs dans la particule. Dans un système confiné, l’énergie des états électroniques augmente avec la réduction des dimensions, conduisant à une discrétisation des niveaux d’énergie du système. Une autre conséquence du confinement est la relaxation de la règle de conservation du vecteur d’onde [2] due au principe d’incertitude de Heisenberg qu’on peut écrire sous la forme : 4 h x p Q %% p En diminuant leur taille (Δx), on augmente l’incertitude en quantité de mouvement (Δp) et ainsi, les transitions de bande à bande sans la participation de phonons deviennent probables (Figure 1.1.b). Plusieurs régimes de confinement existent : x le confinement faible, quand le diamètre de la particule d est plus grand que le rayon de Bohr des particules (aexc), x le confinement modéré quand d ~ aexc, x le confinement fort quand d < aexc.

Applications des nanostructures de Si 

Plusieurs domaines ont exploité les propriétés uniques des nanocristaux, et ce pour différentes applications . En électronique, les propriétés de localisation des charges ont été utilisées pour la fabrication des mémoires non volatiles à nanocristaux de Si . Elles offrent des performances supérieures en termes de temps de rétention et fiabilité, comparées aux mémoires de grille flottante classiques. Freescale a déjà annoncé la commercialisation de ce type de mémoires. Une autre application pour l’électronique est le transistor à un électron, qui est en quelque sorte le composant ultime, en termes de dimensions et de consommation d’énergie. De tels dispositifs peuvent être utilisés pour des applications de logique ou mémoire et l’utilisation du Si pour leur fabrication permet leur intégration avec la technologie CMOS. La recherche sur ce type de dispositifs est encore exploratoire, à cause de nombreux problèmes technologiques rencontrés à ces dimensions, mais des prototypes fonctionnant à température ambiante ont déjà été fabriqués.

 La photonique sur Si

 Motivation

 La miniaturisation des composants permet d’en accueillir un très grand nombre sur une petite surface de Si. Les avancées technologiques de la filière CMOS ont permis de fabriquer des transistors très performants, dont la longueur de canal est d’une dizaine de nanomètres. Ces composants peuvent fonctionner à des fréquences très élevées grâce à leurs faibles dimensions. Cependant, la vitesse des circuits ne peut plus augmenter, car avec leur complexité croissante on se heurte à un autre obstacle : celui des interconnexions. Les puces complexes d’aujourd’hui contiennent souvent 6 ou même 7 niveaux d’interconnexions Contexte et motivation 11 métalliques et il est commun d’avoir quelques km d’interconnexions par cm2 sur ces puces. Les interconnexions métalliques introduisent du retard aux signaux électriques qu’ils transportent, et qui est proportionnel à leur longueur. L’industrie microélectronique se tourne donc vers les interconnexions optiques. Elles présentent de nombreux avantages, comme une bande passante plus large, aucune consommation électrique et donc aucun échauffement et des émissions électromagnétiques faibles. Cette application a constitué une des forces motrices pour le développement de la photonique sur Si. Une autre force motrice a été l’industrie des télécommunications. La plupart des composants couramment utilisés dans les systèmes de télécommunication sont basés sur des matériaux autres que le Si. Cependant, pour de faibles débits et de courtes distances, des composants optoélectroniques basés sur le Si, peuvent constituer une alternative qui pourra remplir le même rôle à un coût plus faible, exploitant en même temps la compatibilité avec la technologie Si en termes de fonctionnalité, robustesse, fiabilité et rendement de production. Le transport des signaux lumineux et leur interaction avec des circuits électroniques nécessitent les composants suivants : x des émetteurs de lumière qui produiront la lumière qui portera l’information, x des modulateurs qui transformeront les signaux électriques en signaux optiques, x des guides qui transporteront l’information lumineuse à sa destination, x des photodétecteurs qui retransformeront le signal optique en signal électrique. Parmi les composants mentionnés, tous sauf les sources de lumière ont pu être fabriqués sur Si avec des performances comparables à celles des composants issus d’autres filières actuellement utilisés pour remplir ce rôle. La brique manquante est donc la diode électroluminescente ou le laser à injection électrique fabriqués en Si. Etant un matériau à bande interdite indirecte, le Si est un mauvais émetteur de lumière. De plus, des processus non radiatifs très rapides, comme l’effet Auger ou l’absorption par les porteurs libres, rendent la fabrication des lasers à Si quasiment impossible. Plusieurs approches ont été utilisées pour remplacer les sources en Si par des sources à base de semiconducteurs III-V, mais leur intégration est incompatible avec la technologie CMOS et des techniques coûteuses d’hybridation/assemblage et d’alignement sont nécessaires. Les sources en Si intégrées restent alors toujours le verrou technologique le plus important qui reste à lever pour la photonique sur Si à grande échelle.