Les puces informatiques modernes peuvent construire des structures à l’échelle nanométrique. Jusqu'à présent, de telles structures minuscules ne pouvaient être formées que sur des tranches de silicium, mais une nouvelle technologie permet désormais de créer des structures à l'échelle nanométrique dans une couche située juste sous la surface.Les inventeurs de la méthode affirment qu'elle offre de larges perspectives d'application en photonique et en électronique, et qu'il sera un jour possible de créer des structures 3D sur des tranches de silicium entières.

La technologie repose sur le fait que le silicium est transparent à certaines longueurs d’onde de la lumière.Cela signifie qu’un laser approprié peut traverser la surface de la plaquette et interagir avec le silicium sous-jacent.Mais concevoir un laser capable de traverser une surface sans causer de dommages, tout en permettant une fabrication précise à l’échelle nanométrique en dessous, n’est pas une mince affaire.

Des chercheurs de l'Université Bilkent d'Ankara, en Turquie, y sont parvenus en utilisant la modulation spatiale de la lumière pour créer des faisceaux laser en forme d'aiguille qui contrôlent mieux la répartition de l'énergie du faisceau.En exploitant l’interaction physique entre les lasers et le silicium, ils ont pu créer des fils et des plans dotés de différentes propriétés optiques pouvant être combinées pour créer des composants nanophotoniques sous la surface.


L’utilisation de lasers pour fabriquer l’intérieur de tranches de silicium n’a rien de nouveau. Mais Onur Tokel, professeur adjoint de physique à l'université de Bilkent qui a dirigé la recherche, explique que jusqu'à présent, seules des structures à l'échelle micrométrique ont été créées. L'extension de cette approche à l'échelle nanométrique pourrait débloquer de nouvelles capacités, a-t-il déclaré, car elle peut créer des caractéristiques qui ont à peu près la taille de la longueur d'onde de la lumière entrante. Lorsque cela se produit, ces structures présentent une gamme de comportements optiques nouveaux qui permettent, entre autres, de créer des métamatériaux et des métasurfaces.

"Le silicium est la pierre angulaire de l'électronique, de la photonique et du photovoltaïque", a déclaré Tokel."Si nous pouvons introduire des fonctionnalités supplémentaires à l'intérieur de la tranche nanométrique qui complètent ces capacités existantes, cela entraînera un paradigme complètement différent. Vous pouvez désormais imaginer faire des choses dans le volume, et peut-être même éventuellement faire des choses en trois dimensions. Nous pensons que cela ouvrira de nouvelles directions passionnantes. "

Les technologies précédentes étaient incapables de fabriquer à l’échelle nanométrique car la lumière laser se disperse une fois entrée dans le silicium, ce qui rend difficile le dépôt précis de l’énergie. Dans un article publié dans la revue Nature Communications, l'équipe de Tokel a montré qu'elle pouvait résoudre ce problème en utilisant un type spécial de laser appelé faisceau de Bessel, qui ne diffracte pas. Cela signifie que le laser peut lutter contre les effets de diffusion de la lumière et rester étroitement focalisé à l’intérieur du silicium, lui permettant ainsi de déposer de l’énergie avec précision.

Lorsqu’un laser éclaire une plaquette, il crée de minuscules trous, appelés vides, dans la zone où le faisceau est focalisé.Tokel dit que cela s'est produit avec les méthodes précédentes, mais les espaces plus petits créés par la focalisation des faisceaux les plus étroitement focalisés présentent un effet « d'amélioration du champ », provoquant une augmentation de l'intensité du laser autour d'eux. Cela modifie la structure du silicium autour des vides, augmentant encore l'effet d'amélioration et créant une boucle de rétroaction autonome. L’équipe a également découvert qu’elle pouvait modifier la direction de l’amélioration du champ en modifiant la polarisation de la lumière laser.

Le résultat final est la création de structures planaires ou linéaires bidimensionnelles aussi petites que 100 nanomètres dans des tranches de silicium. Ces structures ont un indice de réfraction différent de celui du reste de la plaquette, mais Tokel a déclaré que la composition de ces structures n'était pas tout à fait claire. Sur la base de recherches antérieures, il pense que la structure cristalline sous-jacente de la plaquette de silicium pourrait avoir été modifiée. Il a ajouté que les études en microscopie électronique devraient permettre de clarifier cela à l'avenir, mais qu'en fin de compte, il n'est pas nécessaire de connaître les propriétés sous-jacentes exactes de ces structures pour créer des composants nanophotoniques utiles.

Pour démontrer cela, les chercheurs ont créé un dispositif photonique à l’échelle nanométrique appelé réseau de Bragg qui peut être utilisé comme filtre optique.Selon l’équipe, il s’agit du premier élément optique fonctionnel à l’échelle nanométrique entièrement enfoui dans le silicium.

Maxime Chambonneau, chercheur à l'Université de Jena en Allemagne, a déclaré qu'il était remarquable que les chercheurs aient pu obtenir des caractéristiques à l'échelle nanométrique, car les impulsions laser relativement longues utilisées par l'équipe de Tokel créent généralement de grandes zones affectées par la chaleur, ce qui entraîne des changements à l'échelle microscopique. (L'équipe de Bilkent a travaillé avec des impulsions mesurées en nanosecondes, tandis que d'autres travaux d'écriture directe au laser impliquaient traditionnellement des lasers picoseconde ou femtoseconde.) Être capable de créer des caractéristiques plus petites que les ondes lumineuses pourrait ouvrir une variété de possibilités, notamment l'amélioration des capacités de récupération d'énergie des cellules solaires, a déclaré Chambonneau.

Étant donné que la technique de fabrication n'entraîne aucune modification de la surface de la plaquette, Tokel a déclaré qu'à l'avenir, la technologie pourrait être utilisée pour créer des dispositifs multifonctionnels avec des composants électroniques à la surface et des composants photoniques enfouis en dessous. L’équipe étudie également si la méthode peut être utilisée pour creuser des canaux microfluidiques sous la surface d’une puce. Le pompage du fluide à travers ces canaux améliore la dissipation de la chaleur, ce qui contribue à refroidir les appareils électroniques et à les faire fonctionner plus rapidement, a déclaré Torkel.

Selon Tokel, la plus grande limite de cette approche est que les chercheurs ne peuvent pas contrôler avec précision l'endroit où apparaissent les trous dans des zones spécifiques. Actuellement, un petit nombre de vides sont inégalement répartis dans la zone de focalisation du faisceau laser. Toker a dit :S’ils pouvaient positionner ces cavités plus précisément, ils pourraient nanofabriquer en trois dimensions, plutôt que de simplement produire des lignes ou des plans.

"Si vous pouviez contrôler ces choses individuellement et les distribuer comme une chaîne, ce serait très excitant à l'avenir", a-t-il ajouté. "Parce qu'alors vous aurez plus de contrôle, ce qui permettra des éléments ou des systèmes plus riches."