Mikrophotonik rencontre microélectronique

Employé de salle blanche au Fraunhofer THM lors de l'insertion d'une plaquette dans la chambre de transfert d'un cluster de dépôt / gravure pour la structuration par dépôt atomique. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB

Résonateur optique en anneau avec un diamètre de 200 μm sur substrat SiC. © Pascal Del’Haye / MPL

Section d'une structure photonique en carbure de silicium (SiC sur isolant, SiCOI). © Pascal Del’Haye / MPL

Carbure de silicium (SiC) est un système de matériaux prometteur pour les circuits intégrés photonique (PICs) et les systèmes quantiques solides miniaturisés. Dans le cadre du projet ALP-4-SiC – Processus de couches atomiques pour SiC pour des applications en photonique et communication quantique – des chercheurs de l'Institut Max-Planck de la physique de la lumière (MPL) et de l'Institut Fraunhofer pour les systèmes intégrés et la technologie des composants IISB développent conjointement des technologies de base pour la fabrication de circuits photonique hautement efficaces. À l'exemple des guides d'ondes lumineux et des résonateurs en anneau, il est démontré comment, grâce au processus de couches atomiques (ALP), les propriétés optiques des composants photonique en SiC peuvent être significativement améliorées. ALP-4-SiC est financé à 100 % par le ministère fédéral de la Recherche, de la Technologie et de l'Aérospatiale (BMFTR) dans le cadre de l'action « Projets scientifiques préliminaires » (WiVoPro).

Ils sont l'étoile montante parmi les technologies d'avenir : les systèmes quantiques. Surtout de grandes entreprises de haute technologie et des investisseurs institutionnels ont lancé une véritable course pour transférer les phénomènes de la mécanique quantique des laboratoires de recherche vers une application pratique plus large. En particulier dans le traitement de l'information, la détection et la communication, des transformations déjà visibles aujourd'hui devraient durablement changer des secteurs entiers de l'économie et la société.

Techniquement, les systèmes quantiques peuvent être décrits comme une combinaison de physique quantique, photonique et électronique. L'exemple le plus populaire en est certainement l'ordinateur quantique. Les systèmes quantiques actuels ressemblent encore beaucoup à des montages optoélectroniques complexes en laboratoire, et un effort technique considérable est déployé pour la génération, la manipulation et le traitement des états quantiques. Outre leur complexité et leur taille considérable, le refroidissement nécessaire constitue également un facteur limitant, car bon nombre des solutions disponibles actuellement ne fonctionnent qu'à des températures proches du zéro absolu.

Par conséquent, l'intégration des technologies quantiques dans des produits et services commercialisables nécessite encore des efforts importants dans la recherche et le développement de technologies de base essentielles. De même, pour une réalisation économique de systèmes quantiques pratiques, il manque une plateforme matérielle unifiée et à l'épreuve du futur, permettant des avancées fondamentales en miniaturisation, augmentation des performances et réduction des coûts.

Robuste, compatible, quantique : le carbure de silicium comme matériau clé pour la quantique

En raison de ses propriétés physiques particulières, le matériau semi-conducteur carbure de silicium (SiC) s'impose comme une plateforme technologique prometteuse pour les systèmes quantiques solides. SiC est un semi-conducteur à large bande interdite (en anglais Wide-Bandgap, WBG) qui s'est notamment imposé ces dernières années dans le domaine de l'électronique de puissance. Le SiC est également très attractif pour le développement de microsystèmes photonique ou de circuits intégrés photonique (en anglais Photonic Integrated Circuits, PICs), car il permet de fabriquer à la fois des composants optiques, des sources lumineuses et des capteurs dans ce matériau. De plus, le SiC est intéressant pour ses effets optiques non linéaires, permettant de modifier la couleur de la lumière laser, par exemple pour convertir efficacement la lumière infrarouge en lumière visible. Avec la possibilité d'intégrer des défauts ponctuels sous forme de centres de coloration, fonctionnant jusqu'à la température ambiante, le SiC pourrait même permettre à terme l'intégration directe de fonctionnalités quantiques. « Ainsi, le carbure de silicium est un talent polyvalent pour la photonique, l'électronique et les applications quantiques », explique le Dr Pascal Del’Haye, responsable de la partie du projet à l'Institut Max-Planck de la physique de la lumière.

Dans le SiC, tous les éléments nécessaires à la construction de systèmes quantiques miniaturisés performants peuvent donc être représentés. Il est compatible à la fois avec la microélectronique et la microphotonique, et offre en outre des fonctions électroniques quantiques entièrement nouvelles. Étant donné que le SiC est compatible avec les processus CMOS bien maîtrisés de la technologie silicium classique, il serait idéal pour la production en masse industrielle de PICs quantiques.

L'optimisation des premiers composants microphotonique ouvre la voie au quantum chip en SiC

Le chemin vers le quantum chip optoélectronique est encore long, et la recherche dans ce domaine en est encore à ses débuts. Pour la fabrication de PICs, il faut d'abord des composants microphotonique standardisés avec des pertes optiques minimales. Les éléments essentiels sont ici les guides d'ondes lumineux et les résonateurs en anneau, qui peuvent efficacement guider ou stocker la lumière dans de minuscules structures. Alors que les guides d'ondes assurent la fonction de conduits optiques sans pertes, les résonateurs sont constitués de petits anneaux où la lumière injectée peut effectuer jusqu'à un million de tours. Les temps de stockage photonique ainsi obtenus permettent de charger ces composants avec des puissances optiques élevées, ce qui ouvre la voie à de nombreux effets optiques non linéaires. Par exemple, les microrésonateurs peuvent convertir la lumière laser d'une certaine longueur d'onde en un spectre de fréquences optiques, c'est-à-dire en une source lumineuse à plusieurs fréquences discrètes, ce qui peut être utilisé pour une transmission de données très rapide en parallèle dans les réseaux de télécommunications.

Un autre effet utile est l'interaction de lumières contre-rotatives. La couplage optique non linéaire de lumières opposées dans des résonateurs en anneau conduit à une rupture spontanée de la symétrie, qui n'autorise la circulation de la lumière que dans une seule direction, horaire ou antihoraire. Cela permet, par exemple, de réaliser des diodes optiques intégrées sur puce, des commutateurs photonique ou des capteurs optiques, facilitant la construction de systèmes photonique plus complexes.

Cependant, la qualité des composants photonique fabriqués sur des substrats en SiC n'est pas encore optimale, et la rugosité de surface relativement élevée cause des pertes optiques dans les guides d'ondes et les résonateurs. Pour que les photons puissent se déplacer rapidement et ne pas se tunneler à l'extérieur, des surfaces sans défaut sont indispensables. Une solution prometteuse consiste à lisser les surfaces des composants par un procédé d'attaque atomique précis (en anglais Atomic Layer Etching, ALE), afin de créer des interfaces bien délimitées et de minimiser les pertes et les centres de diffusion.

Passerelle entre la recherche fondamentale et le développement de processus dans le projet ALP-4-SiC

Pour développer un nouveau procédé de fabrication pour des composants photonique complexes à base de carbure de silicium, une collaboration étroite entre la recherche fondamentale et la recherche appliquée est nécessaire. Dans le cadre du projet ALP-4-SiC – Processus de couches atomiques pour SiC pour des applications en photonique et communication quantique – le MPL à Erlangen et l'IISB avec son site au Fraunhofer Centre de haute technologie des matériaux (THM) à Freiberg mettent en commun leur savoir-faire. Le MPL possède une vaste expérience en conception et caractérisation de composants photonique, tandis que l'IISB apporte son expertise dans la technologie des semi-conducteurs en SiC et le processus de couches atomiques.

La nouvelle approche d'intégration de processus basés sur les couches atomiques pour des composants photonique avec des propriétés optiques nettement améliorées possède un fort potentiel pour la future commercialisation de composants photonique intégrés. À moyen terme, les fabricants d'équipements ALE pourraient notamment conquérir de nouveaux marchés, tandis que les fournisseurs de photonique pourraient se positionner avec des produits innovants sur un marché en pleine croissance. Les effets à long terme de la disponibilité d'une plateforme technologique universelle, pratique et évolutive pour des circuits intégrés quantiques optoélectroniques à base de SiC restent cependant encore imprévisibles aujourd'hui.

Institut Max-Planck de la physique de la lumière (MPL)

L'Institut Max-Planck de la physique de la lumière (MPL) couvre un large spectre de recherches, notamment en optique non linéaire, optique quantique, nanophotonique, fibres optiques cristallines, optomécanique, technologies quantiques, biophysique et – en collaboration avec le Centre Max-Planck pour la physique et la médecine – les liens entre la physique et la médecine. Fondé en janvier 2009, le MPL est l'un des plus de 80 instituts de la Max-Planck-Gesellschaft, qui mènent des recherches fondamentales dans les sciences naturelles, biologiques, humaines et sociales au service de la société.

Centre de haute technologie des matériaux Fraunhofer THM

Le Centre de haute technologie des matériaux Fraunhofer THM à Freiberg, en Saxe, est une plateforme de recherche et de transfert du Fraunhofer IISB et du Fraunhofer IKTS. Ensemble, ils transforment des matériaux semi-conducteurs et énergétiques en nouvelles applications tout en intégrant la recyclabilité matérielle. Les axes principaux des travaux au Fraunhofer THM sont l’analyse et le développement de systèmes de batteries durables avec une meilleure empreinte écologique et une disponibilité accrue des matières premières, ainsi que la recherche et l’évaluation de composants semi-conducteurs innovants et des processus associés.

Notice de financement

Le projet ALP-4-SiC – Processus de couches atomiques pour SiC pour des applications en photonique et communication quantique – est financé dans le cadre du programme « Projets scientifiques préliminaires (WiVoPro) » du ministère fédéral de la Recherche, de la Technologie et de l'Aérospatiale (BMFTR). Les projets financés par le BMFTR dans le cadre de cette action étudient des questions scientifiques en vue d'applications industrielles futures. Ils peuvent être menés par jusqu'à deux institutions de recherche et visent à combler le fossé entre la recherche fondamentale et le financement industriel en consortium.