Premiers LASERs à microdisque compatibles CMOS

Les circuits intégrés de demain utiliseront-ils l´optique pour véhiculer les données numériques ? La miniaturisation des transistors à effet de champs (CMOS), actuellement en technologie¹ "32 nm", a permis d´accroitre considérablement la puissance de calcul des processeurs. Cependant, depuis 2005, il devient difficile d´augmenter leur fréquence de fonctionnement tout en conservant une enveloppe thermique raisonnable (130 W environ pour 4 GHz). Par conséquent, pour garantir des performances en hausse et ainsi poursuivre la loi de Moore, les leaders de l´électronique (Intel, AMD) ont préféré jouer la carte de la parallélisation.

Le bon fonctionnement des architectures parallèles nécessite d´interconnecter les unités de calcul (ou "core") sur des distances importantes (quelques millimètres) au regard de la taille des transistors (quelques dizaines de nanomètres) avec des débits de plusieurs centaines de Gb.s^-1. Parmi les pistes proposées par l´ITRS ² , l´optique présente de nombreux avantages : le couple silicium/silice assure un transport sans pertes et un même guide peut véhiculer simultanément plusieurs longueurs d´onde au voisinage de 1.55 µm, offrant une bande passante que les solutions électriques ne peuvent fournir.

Si le silicium et ses dérivés constituent d´excellents candidats pour la fabrication d´éléments de routage (guides, filtres...) et de détection (photodiodes), son gap indirect le prive de gain optique, propriété pourtant indispensable aux sources LASER. Une solution consiste alors à reporter des vignettes de semiconducteur monocristallins "III-V" (Colonnes III et V de la table de Mendeleïev) par collage moléculaire sur un circuit CMOS (fig. 1). La cavité LASER nécessite alors un couplage vertical avec les guides enfouis dans des couches inférieures.

Vignettes de semiconducteur III-V reportées sur un wafer SOI (Silicon on Insulator) de 200 mm dont le silicium sert à fabriquer des guides (étape réalisée au LETI).

La solution retenue s´appuie sur une hétérostructure III-V de hauteur 0.5 µm environ qui comporte à la fois les puits quantiques pour générer des photons et des zones dopées N et P pour les électrodes de la pompe. Le LASER est donc une diode de type P-I-N, de tension de seuil environ 1.2 V. Les modes de galerie ³ des microdisques de quelques microns présentent un important confinement spatial avec une énergie électromagnétique localisée en périphérie de la cavité et des facteurs de qualité pouvant théoriquement atteindre le million. La lumière peut donc inter-agir avec le matériau à gain pendant de longues durées, facilitant l´obtention d´un régime LASER.

Les performances d´un microdisque pompé électriquement sont limitées par différents éléments perturbateurs. Seuls les guides entrainent des pertes utiles, tandis que les autres imperfections contribuent à augmenter inutilement le seuil LASER. Le contact supérieur doit satisfaire deux comportements antagonistes : il doit injecter des porteurs au plus près du mode de galerie mais il doit se trouver suffisamment loin pour limiter les pertes par absorption. Le contact inférieur nécessite de laisser une fine membrane dopée de semiconducteur III-V, notée "slab" (fig. 2), de même indice optique que la cavité résonante. Son épaisseur peut considérablement dégrader le confinement dans la direction radiale. Afin d´obtenir une structure monolithique, l´ensemble est encapsulé dans de la silice.

LASER à base de microdisque : les flèches blanches représentent différentes sources de pertes (contacts, guide ...).

Récement, dans le cadre du projet européen WADIMOS, différents acteurs européens (CEA-LETI pour la fabrication, INL et IMEC pour le design, ST Microelectronics, MAPPER Lithography) ont cherché à fabriquer ces sources LASERs avec les moyens utilisés pour fabriquer des transistors CMOS. C´est dans ce contexte que les premiers microdisques pompés électriquement et compatibles CMOS ont été réalisés (voir CEA-LETI).

La figure 3 représente donc une image prise dans l´Infrarouge d´un échantillon pour lequel on a pu atteindre le régime LASER (rayon 7.5 µm) à la longueur d´onde de λ=1.509 µm.

Observation Infrarouge d´un microdisque LASER compatible CMOS (design INL), testé sous pointes

C´est donc un premier pas (et pas des moindres) vers l´intégration de solutions optiques dans les processeurs qui vient d´être fait ! Et c´est une aventure dans laquelle participe l´auteur de PC-Optimise !

¹ : Dimension caractéristique des transistors
² : International Technology Roadmap for Semiconductors, groupe d´experts de l´industrie du semiconducteur étudiant les perspectives et actions à mener (recherche) sur les 15 ans à venir.
³ : Mis en évidence en acoustique dans le dôme de la cathédrale S^t Paul à Londres au début du siècle.