L'équipe de recherche surmonte les défis liés aux matériaux, offrant une nouvelle voie pour les LED à haut rendement

Le silicium a longtemps dominé la course des matériaux semi-conducteurs, mais ses « défauts inhérents » dans le domaine optoélectronique ont également limité son potentiel de croissance. Récemment, des chercheurs ont développé un nouveau matériau semi-conducteur composé de germanium et d'étain, qui présente une efficacité supérieure d'absorption et d'émission de lumière par rapport aux semi-conducteurs au silicium et pourrait devenir la prochaine génération de semi-conducteurs haute performance.

Le silicium est la pierre angulaire de l'Industrie électronique moderne ; les puces de la plupart des produits électroniques tels que les ordinateurs et les téléphones mobiles sont principalement constituées de silicium et restent difficiles à remplacer par d'autres matériaux.

Bien que le silicium possède des avantages tels que la maturité technologique et un faible coût, sa caractéristique de "bande interdite indirecte" entraîne une efficacité lumineuse bien inférieure à celle des matériaux à bande interdite directe (tels que l'arséniure de gallium GaAs). Par conséquent, il ne peut pas servir directement de dispositif efficace de source lumineuse pour lasers ou LED et peine à apporter des contributions significatives dans le domaine de l'optoélectronique.

Pour réaliser des communications optiques sur puce (plus rapides et avec économie d'énergie par rapport à la transmission électronique), les ingénieurs doivent généralement intégrer hétérogènement des matériaux coûteux du groupe III-V (tels que l'arséniure de gallium), un processus complexe et coûteux. Par conséquent, les scientifiques se consacrent depuis longtemps au développement d'alternatives utilisant des matériaux du groupe IV, parmi lesquels les alliages germanium-étain (GeSn) sont considérés comme le "Saint Graal" du domaine des semi-conducteurs.

Contrairement aux matériaux du groupe III-V, le germanium et l'étain appartiennent tous deux aux éléments du groupe IV. L'incorporation d'une proportion spécifique d'étain dans le réseau cristallin du germanium peut modifier sa structure de bande, le transformant en un matériau à « bande interdite directe », lui conférant ainsi une mobilité des porteurs plus élevée ; par ailleurs, les éléments du groupe IV sont hautement compatibles avec les procédés existants de circuits intégrés au silicium, ce qui en fait un sujet d'intérêt majeur dans les applications optoélectroniques.

Historiquement, le principal défi des alliages germanium-étain résidait dans la difficulté de ces deux éléments à réagir chimiquement dans des conditions conventionnelles. Ce n'est que récemment qu'une équipe de l'Université d'Édimbourg a réussi à préparer avec succès un alliage germanium-étain stable en chauffant un mélange de germanium et d'étain jusqu'à 1200 °C et en appliquant des pressions allant jusqu'à 10 GPa, permettant ainsi sa stabilité à température et pression ambiantes.

Que ce soit pour les dispositifs électroniques de nouvelle génération ou pour les centres de données dont la demande énergétique ne cesse de croître, l'avenir repose sur la transmission optique pour améliorer l'efficacité énergétique ; de nouveaux matériaux devraient permettre un fonctionnement plus rapide des dispositifs et une consommation d'énergie réduite.

Des articles connexes ont été publiés dans le Journal of the American Chemical Society (Société Chimique Américaine, ACS).

Source : TechNews