La photonique sur silicium représente un enjeu majeur pour la communication de données, le traitement du signal et les applications de détection optiques. Sa force réside dans le fait qu’elle est basée sur des matériaux compatibles avec les technologies CMOS utilisées dans la fabrication des puces électroniques, tels le silicium (Si) ou le germanium (Ge). Le défi qui reste à relever est de concevoir des composants qui soient capables de générer des signaux optiques en étant intégrés sur une puce en silicium, le tout devant fonctionner à température ambiante.

Depuis plusieurs années, les chercheurs de l’Irig s'intéressent aux moyens de rendre émetteur de lumière un des matériaux compatibles avec la microélectronique. Une avancée majeure a été franchie vers ce graal grâce à la réalisation d'une source laser composée d’un alliage germanium-étain (GeSn). En effet, à partir d’une proportion de 6 à 8 % d’étain, cet alliage GeSn possède une structure atomique, dite à « gap direct », qui permet l’émission de lumière. L'incorporation de l'étain dans du germanium ne se fait toutefois pas naturellement et seules des températures cryogéniques permettaient à ce jour d’obtenir le régime laser. Des efforts expérimentaux continus ont été réalisés depuis le début des années 2010 afin d'augmenter la concentration en Sn dans les alliages GeSn. Ainsi, depuis la première démonstration d'un effet laser à 90 K réalisée en 2015, la température maximale de fonctionnement a été régulièrement améliorée, passant de 180 K à 270 K grâce à une augmentation de la concentration en Sn de 16 à 20 %.
En 2018, des chercheurs de l’Irig avaient obtenu une émission laser en infra-rouge moyen à une température de 230 K. L’année suivante, ils réussirent à obtenir une émission laser sur une très large gamme de fréquence et à une température de fonctionnement atteignant 273 K, à quelques encablures seulement de la température ambiante. En collaboration avec le CEA-Leti et le Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N) de Paris-Saclay, les chercheurs de l’Irig ont imaginé une cavité GeSn optimisée en forme de micro-disque (Image). C’est grâce à cette structure qu’ils viennent de réaliser la démonstration expérimentale d'un régime laser à température ambiante de ce dispositif. Cet exploit a été rendu possible grâce à un alliage (Ge_0.83Sn_0.17) plus riche en étain que ceux précédemment utilisés et à une meilleure dissipation de la chaleur dans l’empilement des couches. Cette dissipation de chaleur a été rendue possible en ayant recours à une architecture du piédestal mieux adaptée avec notamment le recours à des techniques d'hybridation de couche par report.

La température la plus haute du régime laser s’établit désormais à 32 °C, et la longueur d'onde d'émission dans le domaine de l'infra-rouge moyen à 3,5 µm. Ce résultat constitue une avancée majeure dans la mesure où il montre le potentiel de cet alliage compatible CMOS pour les applications du numérique du futur (traitement de l'information) ou des nano-capteurs et senseurs optiques.