Comment votre téléphone sait-il que c’est vous lorsque vous utilisez la reconnaissance faciale pour le déverrouiller ? Un réseau de minuscules lasers illumine votre visage et votre téléphone utilise la réflexion pour construire un modèle 3D, un peu comme une carte topographique de votre visage. Le logiciel du téléphone l’utilise ensuite pour décider de déverrouiller ou non.
Ces minuscules lasers, appelés VCSEL (prononcés « vixels »), sont ce qui rend cela possible. Traditionnellement, ils sont utilisés dans le transfert de données à courte portée, les imprimantes laser et même les souris d’ordinateur. Cependant, depuis qu’ils ont commencé à apparaître dans les technologies de reconnaissance faciale et d’imagerie 3D grand public, il y a eu une explosion de la demande et une poussée pour les rendre plus efficaces et compacts.
Leah Espenhahn, étudiante diplômée dans le groupe de recherche du professeur de génie électrique et informatique John Dallesasse, a démontré un nouveau processus d’intégration directe des VCSEL dans les puces électroniques. Comme elle l’a décrit dans un récent numéro de Semi-conducteur composé magazineil est possible de créer des VCSEL directement sur la microélectronique de silicium en utilisant une méthode appelée transfert épitaxial, comme créer de minuscules îlots pour les lasers dans le silicium.
« Par rapport aux dispositifs standard où des VCSEL construits indépendamment sont attachés à la microélectronique », a déclaré Espenhahn, « les VCSEL transférés par épitaxie sont plus compacts, fonctionnent mieux et sont moins sujets à la surchauffe ».
Elle a également été invitée à parler de la méthode lors de la conférence internationale CS 2023 à Bruxelles.
Vertical, pas de côté
Les VCSEL, ou lasers à émission de surface à cavité verticale, appartiennent à une classe de dispositifs appelés lasers à semi-conducteurs. Ils créent des faisceaux de lumière intenses et focalisés comme les autres types de lasers, mais ils sont entièrement constitués de matériaux semi-conducteurs. Cela signifie que les techniques de fabrication développées pour les puces électroniques, qui sont également réalisées avec des matériaux semi-conducteurs, peuvent être adaptées aux lasers.
De nombreux types de lasers à semi-conducteur émettent latéralement, ce qui signifie que le faisceau de lumière est parallèle aux contacts électriques. De tels dispositifs nécessitent des étapes de fabrication supplémentaires pour garantir une surface lisse permettant à la lumière de quitter le matériau. En revanche, les VCSEL créent une lumière qui est perpendiculaire aux contacts électriques et sort verticalement à travers la couche supérieure, simplifiant le processus de fabrication ouvrant la porte à des appareils beaucoup plus compacts.
« Étant donné que les VCSEL émettent de la lumière depuis la surface supérieure », a déclaré Kevin Pikul, un autre étudiant diplômé du groupe de Dallesasse, « cela facilite grandement la création de réseaux. Vous pouvez avoir des milliers de VCSEL dans un seul échantillon. »
Îles de lasers entièrement intégrés
L’approche standard pour créer des matrices VCSEL consiste à souder manuellement des lasers préfabriqués sur des puces électroniques dans le cadre d’une « liaison flip-chip », un processus qui prend du temps et qui a une précision limitée. Les rendre encore plus petits et plus efficaces nécessitera à terme de les intégrer directement à des dispositifs électroniques sur micropuces.
Espenhahn y est parvenu en prenant des structures de dispositifs VCSEL non traitées et en les attachant à une plate-forme temporaire. Après avoir gravé des « îlots » distincts de matériau pour les lasers individuels, une couche de matériau de liaison a été placée sur le dessus. La plate-forme temporaire a ensuite été retournée et placée sur une plate-forme principale en silicium, provoquant le collage des îlots. Après avoir retiré la plate-forme temporaire, ce qui restait était un réseau d’îlots transférés par épitaxie prêts à être transformés en dispositifs VCSEL.
Étant donné que les VCSEL sont fabriqués après le processus de transfert, ils peuvent être placés de manière beaucoup plus précise sur le circuit électronique que les dispositifs liés par puce retournée. De plus, les dispositifs résultants ont de meilleures propriétés thermiques qui conduisent à une plus grande contrôlabilité.
« Puisque nous n’avons qu’une fine couche de matériau épitaxial au-dessus du silicium », a expliqué Espenhahn, « le silicium évacue plus rapidement la chaleur à mesure que nous fournissons plus d’énergie. Cela nous permet de mieux contrôler la longueur d’onde [color] de la lumière et de créer des appareils avec des plages de performances plus longues. »
Transfert épitaxial au-delà des VCSEL
La reconnaissance faciale n’est qu’un exemple d’une technologie appelée LiDAR dans laquelle la lumière laser réfléchie est utilisée pour créer des images ou des modèles sur des ordinateurs. Une autre utilisation du LiDAR basé sur VCSEL qui gagne en importance est la vision et la détection dans les véhicules autonomes.
Mais Dallesasse imagine que le transfert épitaxial peut aller au-delà des VCSEL.
« Alors que nous commençons à parler de systèmes électrophotoniques complexes pour des choses comme les voitures autonomes », a-t-il noté, « nous pouvons également commencer à utiliser ces techniques pour mettre des fonctions sans silicium sur des plates-formes en silicium afin de rendre les choses plus compactes. Le silicium est également vitesse limitée. Si nous voulions intégrer des dispositifs électroniques ou des dispositifs de puissance à plus grande vitesse, nous pourrions également le faire en utilisant une méthode de transfert épitaxial.