Grâce à l’expertise de chercheurs en science des matériaux et en photonique, deux équipes du C2N ont démontré le potentiel de l’oxyde de Zirconium stabilisé à l’Yttrium (YSZ) pour la photonique.

Malgré de grandes innovations ces dernières années, les fonctionnalités des puces photoniques restent limitées par les propriétés intrinsèques du silicium comme son gap indirect et sa structure centro-symétrique. L’intégration sur silicium d’oxydes cristallins, qui présentent une grande diversité de propriétés originales, permettrait d’élargir les fonctionnalités des dispositifs dans divers champs d’applications comme les télécommunications, la détection ou l’optique quantique pour en nommer quelques-uns.

La transition entre les réseaux cristallins du silicium et de ces oxydes, nécessaire à une intégration de bonne qualité, est rendue possible par des couches tampons comme l’oxyde de Zirconium stabilisé à l’Yttrium (YSZ). Même si cet oxyde est déjà reconnu pour son utilisation dans les batteries sous forme d’électrolyte ou en tant que couche mince de transition sur silicium, ce matériau n’avait encore jamais fait l’objet d’études en optique intégrée.

Une équipe de physiciens et physiciennes du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies - C2N (CNRS/Univ. Paris-Sud-Univ. Paris-Saclay), a démontré le potentiel de l’YSZ en photonique. Pour cela, la croissance d’YSZ par ablation laser pulsé (PLD) sur substrat de saphir a été étudiée et optimisée, permettant d’obtenir une très bonne qualité cristalline des films minces. La caractérisation structurale par Diffraction des Rayons X (XRD) et Microscopie Electronique en Transmission (TEM) a révélé qu’il était possible de contrôler la direction de croissance tout en conservant une excellente qualité cristalline en dessous d’une épaisseur critique de 350 nm. Le développement d’un procédé innovant en salle blanche, prenant en compte les particularités de l’YSZ et de la technique de dépôt, a permis de concevoir des dispositifs photoniques en YSZ tel que des guides d’onde faiblement gravés et réseaux de couplage. La caractérisation optique de ces guides aux longueurs d’onde télécom (1,3-1,5 µm) a mis en évidence des faibles pertes de propagation de l’ordre de 2 dB/cm, comparables aux pertes des guides d’ondes en silicium fabriqués dans la même salle blanche. Ces travaux, réalisés dans le cadre du projet européen POPSTAR¹, ont été publiés en 2018 dans Physical Review Material.

Cette étude démontre le potentiel de l’YSZ comme nouveau matériau pour la photonique. Ce travail a également ouvert la voie à la caractérisation des propriétés d’optique non-linéaire de l’YSZ, dont les premiers résultats sont tout à fait prometteurs. La croissance d’YSZ et la fabrication de dispositifs photonique à faibles pertes représentent une avancée majeure dans l’utilisation d’oxydes complexes en photonique.

¹ Projet européen (H2020) ERC POPSTAR : Low power consumption silicon optoelectronics based on strain and refractive index engineering

Références :
High-quality crystalline yttria-stabilized-zirconia thin layer for photonic applications,
G. Marcaud, S. Matzen, C. Alonso-Ramos, X. Le Roux, M. Berciano, T. Maroutian, G. Agnus, P. Aubert, L. Largeau, V. Pillard, S. Serna, D. Benedikovic, C. Pendenque, E. Cassan, D. Marris-Morini, P. Lecoeur et L. Vivien
Physical Review Materials 2, 035202 (2018)
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.035202

• Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS / Université Paris-Sud- Université Paris-Saclay)

Contacts :

• Guillaume Marcaud, doctorant au C2N
• Laurent Vivien, directeur de recherche CNRS
• Sylvia Matzen, maître de conférence Université Paris-Sud

Figures : Orientation cristalline de l’YSZ sur saphir et composants photoniques passifs. a) La caractérisation structurale des films minces a permis de mettre en évidence la grande qualité cristalline et les trois orientations des grains d’YSZ dont la direction de croissance est (111) ou (001) sur saphir. L’optimisation du procédé de dépôt par ablation laser permet de favoriser une seule orientation tout en conservant la qualité du film, en dessous d’une épaisseur critique de 350 nm. b) Simulation de modes optiques à λ=1550 nm dans les guides YSZ (nysz=2.15) sur saphir (nsaph=1.74). Les guides monomodes fabriqués permettent le confinement et la propagation du mode optique quasi-TE dont la direction du champ électrique est dans le plan du film. c) Image AFM d’une structure passive fabriquée dans un film mince d’YSZ : un réseau de couplage et un guide de transition. © C2N