Le procédé damascène au cuivre réunit l'électronique et la photonique

Depuis deux décennies, la photonique au silicium alimente les centres de données en convertissant les signaux électriques en impulsions lumineuses. Alors que l'IA et le cloud computing entraînent des besoins toujours plus importants en bande passante, les chercheurs vont au-delà du silicium. Les matériaux ferroélectriques tels que le niobate de lithium et le tantalate de lithium offrent l'effet Pockels, une réponse ultra-rapide et linéaire qui permet une modulation optique efficace à des tensions compatibles avec le CMOS.

Un obstacle majeur persiste. Bien que le tantalate de lithium sur des plaquettes isolantes soit déjà produit en grande quantité pour les filtres acoustiques 5G, la plupart des modulateurs construits à partir de ce matériau utilisent encore des électrodes en or. L'or ne permet pas la planarisation nécessaire pour lier directement les puces photoniques aux composants électroniques en silicium. Cela crée un fossé entre la photonique de nouvelle génération et les composants électroniques nécessaires à son fonctionnement.

Une équipe dirigée par Tobias J. Kippenberg de l'EPFL et Christian Koos du KIT s'est penchée sur cette question. Les chercheurs présentent les premiers modulateurs à tantalate de lithium en couche mince fabriqués à l'aide du procédé Damascene au cuivre, la même technique de métallisation utilisée depuis plus de vingt ans dans les puces logiques et mémoire CMOS avancées.

L'étude est publiée dans Nature Communications.

« Pendant des années, les performances des modulateurs ferroélectriques ont été définies par leur tension et leur vitesse. Mais la question de savoir comment connecter des milliers de ces dispositifs à des composants électroniques en silicium à grande échelle restait ouverte », explique M. Kippenberg. « En adoptant le procédé Damascène au cuivre, nous nous alignons sur les méthodes de fabrication de semi-conducteurs établies. »

Une surface plane et des performances améliorées

Le procédé Damascene consiste à graver des tranchées dans un diélectrique, à les remplir de cuivre électroplaqué et à polir la surface à l'aide d'une planarisation chimico-mécanique. Il en résulte des électrodes qui affleurent le matériau environnant.

Une telle surface plane est essentielle pour l'intégration 3D moderne, en particulier pour les liaisons hybrides cuivre-cuivre. Cette technique permet d'empiler des puces avec une très haute densité d'interconnexion. Les dispositifs EPFL KIT sont les premiers modulateurs électro-optiques sur une plateforme ferroélectrique dont la surface est compatible avec cette approche.

Le passage au cuivre améliore également les performances électriques. Le cuivre électroplaqué s'auto-recuit et se stabilise à une résistivité inférieure d'environ 20 % à celle de l'or. Dans les dispositifs présentés, les pertes micro-ondes ont diminué de 10 %. Les modulateurs ont atteint des débits de ligne de 416 Gbit par seconde avec PAM4 et de 540 Gbit par seconde avec PAM8, en dessous du seuil FEC de décision souple de 25 %. Les performances sont équivalentes à celles des principaux dispositifs à base d'or, tout en offrant une puissance admissible de l'ordre du watt sur la puce et une stabilité de dérive de polarisation inférieure à 0,4 dB sur 15 heures.

De la démonstration en laboratoire à la compatibilité de fabrication

Contrairement à l'argent, qui présente une résistivité légèrement inférieure mais souffre de diffusion, de sulfuration et d'une maturité de processus limitée, le cuivre est déjà largement utilisé dans la fabrication de semi-conducteurs. Les dispositifs ont été fabriqués sur des plaquettes de 4 pouces à l'aide d'une lithographie DUV stepper et ont montré une variation d'un dispositif à l'autre inférieure à 3 % à 60 GHz. Ces résultats soulignent la reproductibilité du processus.

L'étude montre que les circuits intégrés photoniques au tantalate de lithium peuvent être produits à l'aide de processus de fin de ligne similaires à ceux utilisés dans les nœuds CMOS les plus avancés. Cela favorise l'intégration de puces sur plaquettes, où des composants électroniques CMOS à haute vitesse sont directement liés à la puce photonique.

Implications pour l'IA et l'informatique neuromorphique

Les implications vont au-delà des émetteurs-récepteurs conventionnels.

Les multiplicateurs matriciels photoniques, qui sont au cœur de l'informatique neuromorphique, reposent sur de grands réseaux de modulateurs pilotés simultanément par des composants électroniques. Une liaison cuivre à haute densité et à faible parasitisme entre les couches électroniques et photoniques pourrait permettre de nouvelles architectures informatiques photoniques.

« Ce travail aligne l'intégration photonique sur la feuille de route industrielle des semi-conducteurs », explique Christian Koos. « Il permet aux futurs moteurs photoniques de suivre les mêmes tendances d'intégration qui ont façonné l'électronique moderne. »

Les échantillons de tantalate de lithium ont été fabriqués au Centre de micro-nanotechnologie de l'EPFL.