Méconnue jusqu’à alors, du moins en France, la deeptech allemande Black Semiconductor s’est hissée au premier rang de l’actualité technologique ; le 12 juin dernier, après avoir simplement communiqué quelques chiffres. Mais ces chiffres avaient de quoi donner le vertige : 254,4 millions d’euros, soit le montant de sa dernière levée de fonds.
Confiants envers cette spin-off en 2020 de l’AMO, l’institut de recherche sur les nanotechnologies implanté à Aix-la-Chapelle, les pouvoirs publics allemands ont mis notablement la main à la poche : le gouvernement et le länder de Rhénanie du Nord-Westphalie se sont engagés à lui verser 228,7 millions d’euros ces 7 prochaines années.
Un financement public d’une telle ampleur dans une société privée est autorisé par l’entremise du Projet important d’intérêt européen commun (PIIEC) consacré à la micro-électronique. Le reste de l’investissement, 25,7 millions d’euros, provient de capitaux-risqueurs privés, dont Porsche Ventures et Project A Ventures.
Lutter contre l'engorgement des datacenters
Si l’allemand Black Semiconductor mobilise autant d’argent, c’est qu’il promet de dynamiser les connexions entre l’optique véhiculant un signal lumineux et les puces électroniques capables de l’exploiter après conversion. L’enjeu devient vital à plus forte raison avec l’explosion de l’IA, accentuant l’échange d’énormes quantités de données qui menacent d’engorger les datacenters.
Pour augmenter la bande passante et minimiser la latence à coût énergétique réduit, plusieurs solutions innovantes de co-intégration de l’optique et de l’électronique sont en cours de développement. La deeptech française Ncodin conçoit la sienne, un interposeur optique intégrant des nanolasers et des nanophotodétecteurs, de même qu’Intel dernièrement, avec sa puce OCI.
« On est dans ce domaine-là, confirme Cédric Huyghebaert, le directeur technique de Black Semiconductor, qui a travaillé durant 23 ans à l’Imec, en Belgique. A la différence près que nous misons sur le graphène pour réaliser la partie active de notre système photonique. »
Ajouter des fonctions actives aux guides d'onde
Découvert il y a une vingtaine d’années, le graphène est un matériau bidimensionnel (ou 2D), formé d’une monocouche d’atomes de carbone et doué de propriétés exceptionnelles. Entre autres, sa mobilité électronique, qui traduit la capacité des électrons à se mouvoir dans un matériau et se corrèle à la conductivité électrique, est 100 fois plus élevée que celle du silicium.
Le graphène est l’objet d’étude du Graphene Flagship, un vaste programme de recherche européen, sans lien direct avec Black Semiconductor. Mais Cédric Huyghebaert reconnaît que la plupart des chercheurs travaillant sur ce matériau, lui y compris, ont un vécu dans le Flagship.
Précisément, Black Semiconductor met le graphène à profit pour la conversion optoélectronique. « Nos guides d’onde en nitrure de silicium sont fantastiques pour distribuer le signal, mais il n’y a pas moyen d’en faire des modulateurs ou des photodétecteurs, explique Cédric Huyghebaert. Le graphène permet d’ajouter ces composants actifs aux guides d’onde. »
Un niveau de Fermi ajusté au besoin
Pour ce faire, les guides d’onde sont recouverts localement de graphène, lequel est ensuite contrôlé électriquement. « Le graphène devient ainsi transparent ou opaque, complète Cédric Huyghebaert. On éteint ou on allume la lumière, comme si on faisait du morse. » Voici pour la modulation.
A l’extrémité des guides d’ondes, c’est une nouvelle fois le graphène qui recouvre les photodétecteurs. « On va mesurer une différence de potentiel qu’on va amplifier ensuite pour reconstruire le signal », précise Cédric Huyghebaert.
Pour ces deux fonctions, le mécanisme physique sous-jacent repose sur la modification du niveau de Fermi des électrons du graphène, ce niveau séparant les états électroniques occupés (d'énergie inférieure) de ceux vides (d'énergie supérieure).
« Quand un photon arrive sur un électron du graphène, cet électron peut être excité à un niveau d’énergie supérieure, détaille Cédric Huyghebaert. En changeant le niveau de Fermi, on peut l’empêcher d’être excité car le niveau supérieur est déjà rempli, c’est-à-dire qu’on permet une transition électronique ou non. » Dans le premier cas, le graphène est opaque, dans le second, il est transparent.
Vers le térahertz ?
On peut s’étonner de l’absence de lasers intégrés. « Mais notre technologie est au service de l’assemblage de puces très chères pour le marché du calcul intensif et du datacenter. Or la durée de vie d’un laser, constamment stressé, n’atteint pas les 10 ans que l’on souhaite », justifie-t-il.
Selon ce chercheur, la technologie de Black Semiconductor se compare avantageusement à la photonique sur silicium, qui se déploie dans les interconnexions optiques à destination des datacenters. « En laboratoire, notre technologie fait au moins aussi bien en matière d’économie d’énergie et de performances, constate-t-il. Mais nous sommes convaincus qu’on peut faire mieux car c’est une technologie nouvelle. »
En 2020, Daniel Schall, président et cofondateur de la deeptech avec Sebastien Schall, évoquait la possibilité d’atteindre le térahertz en photodétection, par exemple.
Par ailleurs, le procédé de fabrication des systèmes photoniques de Black Semiconductor serait plus simple et moins onéreux. « Le nitrure de silicium, amorphe peut être déposé à température ambiante sur un wafer contrairement au silicium cristallin, détaille Cédric Huyghebaert. Le budget énergétique de l’intégration sur la puce est moindre et on ne détériore pas cette puce. »
Un procédé simplifié
Par ailleurs, poursuit-il, « la photonique sur silicium doit être fabriquée sur un wafer indépendant avant d’être intégrée à l’électronique. De notre côté, l’intégration est réalisée en « back end of line », la dernière étape de fabrication en semi-conducteurs où l’on ajoute la couche métallique. On ajoute nos guides d’onde, le graphène, etc. en une seule fois. »
Cédric Huyghebaert estime le TRL entre 5 et 6 mais reste humble : « L’intégration du graphène à un stade industriel sur les semi-conducteurs n’a jamais été faite. Ce graphène doit être parfait et son transfert sur un wafer est compliqué. »
Une première preuve de concept est prévue fin 2025 et Black Semiconductor va se mettre en quête de partenaires pour intégrer sa technologie. Cette technologie prendrait la forme d’un chiplet, d’un interposeur, quoi qu’il en soit d’un « sous-système qui ferait communiquer d’autres sous-systèmes », indique Cédric Huyghebaert. Si Black Semiconductor réussit son pari d’ici 2030, le graphène pourrait alors justifier dans les semi-conducteurs de son étiquette de « matériau miracle ».
