Dans le cadre d’une collaboration franco-américaine constituée du laboratoire Placamat de Bordeaux (UMS) et de l’Université de l’Ohio aux États-Unis, l’équipe NIMPH du Cimap travaille sur des solutions toutes optiques pour rendre plus performantes les capacités de calcul et de communications numériques.

Pour améliorer la capacité de calcul, la communication et le stockage des données, les chercheurs travaillent sur des solutions à base de photonique sur silicium pour remplacer l’interconnexion électrique inter et intra-puces. En effet, l’intégration de composants photoniques sur silicium permet de développer des liaisons optiques offrant des débits d’information beaucoup plus importants avec une moindre consommation d’énergie. Ils ont ainsi réussi à obtenir une source émissive bleue à l’aide du Cérium, fabriquée entièrement sur silicium. Sous excitation optique, cette lumière est visible à l’œil nu.

Depuis près de 70 ans, le silicium s’est imposé en microélectronique comme le meilleur semi-conducteur.  Le problème est que le silicium est un très mauvais émetteur de lumière lié au caractère indirect de son gap d’énergie.

Pour solutionner ce problème les équipes franco-américaines ont conjointement emprunté deux voies :

  • Choisir une terre rare, le cérium, qui possède une configuration électronique dite « 4f-5d ». Cette propriété lui confère une large excitation spectrale et une absorption plus grande par rapport aux autres terres rares de configuration « 4f-4f ». Ainsi l’excitation est plus efficace, et par conséquent le signal de photoluminescence s’en trouve exalté.
  • Fournir aux ions cérium un environnement non pas tout silicium, néfaste à l’émission, mais à base de silicium permettant de garder une excellente intégration sur le dit substrat de silicium. Le matériau choisi est l’oxynitrure de silicium (SiOxNy) qui permet de combiner les avantages des matrices d’oxyde de silicium (SiO2) et nitrure de silicium (Si3N4), à savoir une solubilité des terres rares plus grande que dans une matrice de SiO2 et posséder une absorption plus faible qu’une matrice Si3N4 limitant les pertes dues à l’absorption du matériau [6,7]. Ce film mince est déposé par pulvérisation magnétron.
Avec cette combinaison, les chercheurs franco-américains ont obtenu, dans un premier temps, une émission bleue à faible dopage (0.3 Ce3+ at. %) en jouant sur le taux d’azote dans le film déposé. Pour connaitre l’origine de cette émission, des modèles basés sur l’existence de plusieurs centres luminescents sont proposés (matrice, clusters, défauts, terres rares…), ainsi que différents chemins d’excitation. Après une batterie de tests, la confirmation de l’émission de l’ion Ce3+ est avérée et son mécanisme d’excitation est décortiqué sous faible et fort flux d’azote dans la chambre de dépôt.

Pour concrétiser cette luminescence géante, les chercheurs essayent maintenant d’obtenir le même signal, mais cette fois sous excitation électrique pour une intégration à des fins applicatives. Cette découverte a fait l’objet d’un article «  la Photoluminescence géante du Cérium dans des films d’oxynitrure de silicium » dans la rubrique « Fait marquant CEA » 

Pour en savoir plus: F. Ehre, C. Labbé, C. Dufour, W. Jadwisienczak, J. Weimmerskirch-Aubatin, X. Portier, J.-L. Doualan, J. Cardin, A. Richard, D. C. Ingram, C. Labrugère, and F. Gourbilleau,  Nanoscale 20, 4818 (2018).
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[1] F. Priolo, T. Gregorkiewicz, M. Galli, and T. F. Krauss,  Nature Nanotechnology 9, 19 (2014).
[2] G. Roelkens, L. Liu, D. Liang, R. Jones, A. Fang, B. Koch, and J. Bowers, Laser & Photonics Reviews 4 (6), 751 (2010).
[3] S. G. Cloutier, Pavel A. Kossyrev, and Jimmy Xu,  Nature Materials 4, 887 (2005).
[5] Jose Gracia, Luis Seijo, Zoila Barandiarán, Daniel Curulla, Hans Niemansverdriet, and Wouter van Gennip,  Journal of Luminescence 128 (8), 1248 (2008).
[6] C. Labbé, Y. T. An, G. Zatryb, X. Portier, A. Podhorodecki, P. Marie, C. Frilay, J. Cardin, and F. Gourbilleau,  Nanotechnology 28, 115710 (14pp) (2017)
[7) Jee Soo Chang, Kiseok Suh, Moon-Seung Yang, and Jung H. Shin, Silicon Photonics: II, Development and Application of Er-Doped Silicon-Rich Silicon Nitrides and Er Silicates for On-Chip Light Sources. (Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Berlin: Springer), 2011).
[8] Nikola Prtljaga, Daniel Navarro-Urrios, Andrea Tengattini, Aleksei Anopchenko, Joan Manel Ramírez, José Manuel Rebled, Sònia Estradé, Jean-Philippe Colonna, Jean-Marc Fedeli, Blas Garrido, and Lorenzo Pavesi,  Opt. Mater. Express 2 (9), 1278 (2012).
Contact
CEA-IRAMIS : christophe.labbe@ensicaen.fr  (UMR6252 / CIMAP Equipe Nimph)
Collaboration :
Ehré, C. Labbé, C. Dufour, J. Weimmerskirch-Aubatin, X. Portier, J.-L. Doualan, J. Cardin, F. Gourbilleau
Laboratoire CIMAP, Normandie Univ, ENSICAEN, UNICAEN, CEA, CNRS, 6 Boulevard du Maréchal Juin, 14050 Caen Cedex, France
 M. Jadwisienczak
School of Electrical Engineering and Computer Science, Ohio University, Stocker Center, Athens, OH 45701, USA
 L. Richard, D. C. Ingram
 Department of Physics and Astronomy, Ohio University, Athens, OH 45701, USA
 Labrugère
PLACAMAT, UMS 3626, CNRS-Université Bordeaux, 87 avenue Albert Schweitzer, 33600 Pessac, France
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