Des dispositifs hybrides à base de silicium grâce à des nanotubes de carbone
Le silicium se positionne comme le matériau de choix pour une série d'applications photoniques, dont les réseaux informatiques et la détection. On peut aujourd'hui trouver de nombreux dispositifs photoniques capables d'émettre, propager et détecter la lumière à l'échelle de la puce de silicium. Pourtant, même avec ces progrès, il reste difficile d'intégrer sur un même circuit tous les éléments nécessaires à la photonique. Ce problème est dû au fait qu'il faut intégrer une série de matériaux différents sur le silicium. Bien que techniquement possible, ce processus n'est pas rentable, ce qui limite considérablement l'utilisation de la photonique sur silicium. Le projet CARTOON, financé par l'UE, a surmonté cette difficulté en développant une nouvelle stratégie consistant à hybrider des dispositifs à base de silicium en intégrant des nanotubes de carbone (NTC) utilisés comme source de lumière, modulateur et détecteur dans la gamme du proche infrarouge. «Nous avons finalement sélectionné des nanotubes de carbone semi-conducteurs à paroi simple (s-SWNT), car il s'agit d'un matériau très polyvalent qui présente d'excellentes propriétés électroniques et optiques», déclare Laurent Vivien, coordinateur du projet. Selon M. Vivien, les s-SWNT présentent de nombreux avantages. À titre d'exemple, ils assurent à température ambiante une très bonne émission dans le proche infrarouge, ainsi qu'une excellente photostabilité thermique. En sélectionnant précisément le diamètre et la chiralité des nanotubes, on peut facilement contrôler l'émission de longueurs comprises entre 1 µm et 1,6 µm. Les nanotubes peuvent être intégrés pour réaliser des diodes et des transistors à effet de champ, donnant ainsi la possibilité d'utiliser un pompage électrique pour la luminescence et les photo-détecteurs En outre, leurs transitions électroniques, via les effets de Stark et Keff anticipés, peuvent également être utilisées pour obtenir des effets de modulation. «Pour toutes ces raisons, les NTC sont de très bons candidats pour résoudre les problèmes d'intégration de la photonique sur silicium, ce qui débouchera sur une photonique économique et fiable», estime M. Vivien. Un énorme potentiel Ayant réalisé plusieurs avancées importantes qui ont ouvert la voie au développement de la prochaine génération de photonique à base de TNC, le projet CARTOON devrait avoir un impact considérable. C'est ainsi, par exemple, qu'il a développé de nouvelles stratégies pour réaliser des nanotubes de carbone semi-conducteurs purs destinés aux applications photoniques. Il a également effectué la première démonstration de l'effet non linéaire réfractif négatif des NTC dans un guide d'onde en nitrure de silicium, ainsi que du premier effet durable basé sur l'intégration hybride de NTC dans des dispositifs photoniques sur silicium. Le projet a également réalisé une plateforme photonique au silicium hybride pour les nanomatériaux, entièrement intégrée et optimisée pour les nanotubes. «Le projet a imaginé un nouveau concept inattendu pour utiliser les NTC dans les applications photoniques sur silicium», déclare M. Vivien. «Les nanotubes de carbone sont un matériau très prometteur qui pourrait être utilisé dans le développement de tous les dispositifs optoélectroniques, et nous sommes convaincus qu'ils faciliteront l'intégration de la photonique et de l'électronique. D'autre part, comme les nanotubes de carbone isolés sont des émetteurs quantiques, notre stratégie pourrait également permettre d'utiliser la photonique sur silicium dans le domaine de la communication quantique.» Une commercialisation en vue En 2015, une nouvelle entreprise, ProNT GmbH, a été fondée par un chercheur du projet CARTOON. Son objectif est de commercialiser la technologie de synthèse directe de SWNT semi-conducteurs en exploitant des techniques développées au cours du projet CARTOON. En cas de succès, l'industrie disposera de s-SWNT pouvant être intégrés dans des dispositifs photoniques et électroniques à base de SWNT, dont des capteurs. Les chercheurs du projet CARTOON prévoient également de lancer un nouveau projet pour exploiter leurs dernières découvertes sur les dispositifs optoélectroniques. L'objectif de cette nouvelle recherche sera de faire la démonstration d'un circuit photonique sur silicium à base de nanotubes de carbone. Il pourra être utilisé avec la prochaine génération de dispositifs d'interconnexion optique, de transmission d'informations quantiques et de détecteurs.
Mots‑clés
CARTOON, photonique sur silicium, nanotubes de carbone, dispositifs photoniques, appareils électroniques
