Les lasers au germanium pourraient rendre les puces informatiques plus rapides

En 1965, Gordon Moore énonça la règle selon laquelle la densité d’une surface de transistor double tous les deux ans sur les puces informatiques, et donc que la puissance informatique augmente d’autant. Cette loi s’applique depuis le début du calcul numérique du temps, c’est à dire depuis le lancement des premiers circuits intégrés pour micro-processeurs, dans les années 1960. Malgré l’augmentation du nombre de transistors sur les puces informatiques, ainsi que d’autres avancées, la puissance totale des processeurs ne suit plus la loi de Moore, et ceci déjà depuis une décennie: les spécialistes parlent de l’écart de Moore. La raison est la suivante: les cartes modernes possèdent plusieurs noyaux (des processeurs autonomes) qui, avec les processus traditionnels, ne communiquent entre eux qu’assez lentement.

« En effet, on connaît une méthode pour combler ce manque : la transmission optique de données entre les différents noyaux de la puce », explique Hans Sigg, chercheur à l’Institut Paul Scherrer : « cela signifie que dans une puce informatique, la transmission des données se ferait notamment au moyen de pulsations lumineuses, ce qui pourrait augmenter considérablement le flux et l’échange d’informations ». Pour cela, il faudrait de minuscules lasers, que l’on monterait sur les puces, et qui permettraient d’émettre les pulsations lumineuses. Mais cela n’existe pas encore.

De minuscules lasers au germanium pourraient rendre les puces plus rapides

Désormais, l’équipe de recherche de Sigg pourrait, en collaboration avec leurs collègues de l’ETH Zurich et du Politecnico di Milano, démontrer que le germanium peut servir de matériau laser dans certaines conditions. « Les lasers au germanium pourraient représenter une véritable percée, car le germanium se combine bien avec le silicium qui constitue les puces. Le silicium tout seul n’est pas capable d’émettre de la lumière, et il est très peu compatible avec les matériaux lasers disponibles », souligne Sigg.

Lors de leurs travaux, les chercheurs ont analysé les propriétés du germanium qui sont importantes pour la création de lumière laser, et les ont comparées à celles des lasers traditionnels. Ces expériences ont été réalisées à la Source de Lumière Suisse (SLS) de l’Institut Paul Scherrer. « Au moyen d’un puissant laser, nous stimulons le matériau, et observons en même temps, au moyen de lumière infrarouge, les modifications qui surviennent sur le SLS », explique Peter Friedli, qui est en train de préparer sa thèse de Doctorat et qui a réalisé ces expériences décisives avec le chercheur Lee Carroll. « Nous nous servons du fait que les pulsations lumineuses ne durent que 100 picosecondes, c’est à dire 0,1 milliardième de seconde, ce qui nous permet d’observer les processus à l’œuvre dans le matériau, et plus précisément le comportement des électrons à différents moments ».

Le germanium doit être sous tension

« Nos résultats sont d’une part encourageants: le germanium présente un comportement similaire à celui des matériaux lasers traditionnels. La possibilité d’émettre de la lumière n’est donc pas exclue“, se réjouit Sigg, avant d’ajouter: „toutefois, dans les couches de germanium analysées jusqu’à présent, l’équilibre entre intensification et perte est encore tel que le matériau ne répond pas encore aux conditions nécessaires pour produire de la lumière laser ». Mais l’on a constaté que plus on déforme le germanium au moyen d’une force extérieure, plus on se rapproche de cette condition. Les chercheurs espèrent atteindre les conditions nécessaires au germanium lors d’un prochain projet. Pour y parvenir, ils emploieront une nouvelle technologie permettant de fortement accroître ces tensions.

Ce projet de recherche a été financé par le Fonds national suisse FNS.

À propos du PSI

L’Institut Paul Scherrer développe, construit et exploite de grandes installations de recherche complexes et les met à disposition de la communauté nationale et internationale. Les principales recherches de l’Institut sont centrées dans le domaine matière et matériaux, energie et environnement, santé. Avec 1500 collaborateurs et un budget annuel d’environ 300 millions CHF, le PSI est le plus grand centre de recherche de Suisse.