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LAURA (L) : La lumière, on la voit partout. Mais est-ce qu’on sait vraiment tout ce qu’elle peut faire ? Emeric Hartmann, doctorant en photonique au C2N, travaille justement là-dessus et son quotidien consiste à explorer des technologies où la lumière devient un véritable outil. 

Emeric, bienvenue dans PodTaf. 

EMERIC (E) : Merci.

SARA (S) : Bienvenue. Alors, Emeric, que fais-tu vraiment ?

E : Je suis doctorant. Ma thèse s’axe sur beaucoup de fabrication.

S : Attends, quelle est ta thèse ? 

E : C’est de fabriquer des micro-lasers et de les déplacer, d’une galette de semi-conducteurs à une autre.

L : Alors, qu’est-ce qu’une galette ? 

E : Un cristal de semi-conducteur, plat, ça ressemble vraiment à une crêpe. Ça fait moins d’un millimètre d’épaisseur, entre dix et trente centimètres de diamètre. Et c’est sur ça qu’on va fabriquer tous nos dispositifs. Donc certains font des transistors dessus, d’autres des circuits intégrés. Moi, je fais des micro-lasers. On va partir d’une galette, d’un wafer, et on va faire croître des matériaux dessus. On va bombarder notre galette de semi-conducteurs. On imagine : on part d’un terrain plat, on met de la neige dessus et après, on va creuser à côté, faire une sorte d’igloo, de château fort avec de la neige. Je fais exactement pareil, mais à l’échelle microscopique pour des lasers.

L : Et ce laser, tu l’utilises pour quoi ? Pour qui ?

E : Pour mon entreprise, parce que je fais une thèse CIFRE [Convention Industrielle de Formation par la Recherche] avec une entreprise. C’était Microelectronics. Pourquoi ? ça, je ne peux pas trop vous le dire.

Si tu as fait les bons procédés au début, donc si tu as déposé les bons matériaux avec les bonnes épaisseurs, qu’ensuite, tu as isolé comme il fallait, que tu as mis des petits contacts métalliques, des petits fils métalliques qui touchent au bon endroit, tu envoies du courant et tu as un laser.

Les lasers que je fabrique pourraient prendre de l’électricité, en faire un faisceau laser. Et ensuite, ce faisceau laser, il est utilisé dans une puce photonique pour faire beaucoup de calculs, mais avec des pertes d’énergie beaucoup plus faibles que dans des puces électroniques actuelles qui chauffent beaucoup quand on leur fait faire des calculs.

S : Alors, il y a déjà des lasers existants. Toi, tu es vraiment sur la partie nano laser ?

E : Ouais, c’est vrai que des lasers, c’est déjà assez courant. Il y a différents types de lasers qui existent. Je ne vais pas trop rentrer dans les détails. Je bosse sur ce qu’on appelle des VCSEL. Le sigle veut dire Vertical Cavity Surface Emitting Lasers. Laser à cavité verticale émettant par la surface. Le nom fait un peu peur, mais en fait, c’est les lasers les plus simples et les plus vendus et les plus courants et les moins chers à fabriquer. C’est lui le plus simple, le plus bête à comprendre. Si je dois le résumer très simplement, avoir deux miroirs en face à face et au milieu, entre ces deux miroirs, avoir une source de lumière. Tout bêtement, une LED. Vraiment les mêmes LED qui servent dans les éclairages. Bon, c’est un peu plus complexe que ça. On ne peut pas juste prendre deux miroirs et une LED au milieu et ça fait un laser. Il faut avoir des miroirs un peu particuliers, des LED, enfin l’équivalent d’une LED très très petite. Mais en agençant les choses bien, c’est vraiment les composants de base qui forment un laser.

Et du coup, le but de ma thèse, c’est de faire des VECSEL. Ça, les gens savent déjà très bien en faire depuis des dizaines d’années dans l’industrie ou dans la recherche. Par contre, ce qui est particulier dans ma thèse, c’est ensuite ce qu’on va faire avec ces VECSEL, avec ces petits lasers à cavités verticaux.

Le but de ma thèse, c’est de s’intéresser à une nouvelle méthode d’intégration de ces lasers. On en revient aux galettes dont je parlais avant. Donc, on a des galettes de semi-conducteurs Mais quand on fait des circuits intégrés, de la photonique, plein de choses différentes, on a différents semi-conducteurs. Nous, on entend souvent parler du silicium. Le silicium, c’est un classique. Tout le monde en a déjà au moins entendu parler. C’est dans le nom en anglais, la Silicon Valley, qui n’est pas en lien avec le silicone…

S : Ah, ça vient de silicium ? 

E : Ouais, quand on traduit silicium en anglais, ça fait « Silicon ». Pas du tout le silicone, le mastic qu’on utilise pour colmater des joints.

Et du coup, tout le monde connaît le silicium comme semi-conducteur, mais avec l’essor de la photonique et de toutes les applications opto-électroniques, on a d’autres semi-conducteurs qui existent, qui sont parfois moins connus du grand public.

Moi, ceux avec lesquels je bosse, c’est ce qu’on appelle les semi-conducteurs trois-cinq. Trois-cinq, c’est en référence au tableau périodique des éléments. Tableau de Mendeleïev, si vous voyez. Mais vous regardez les colonnes dans ce tableau périodique et elles ont des petits numéros au-dessus des colonnes. Ça fait référence à des histoires d’orbitale atomique, de couches électroniques. Il y en a une avec un trois au-dessus, une avec un cinq. Vous prenez ces deux colonnes, prenez un élément dans la colonne trois, un élément dans la colonne cinq, ça fait un alliage et ça fait un semi-conducteur qui, contrairement au silicium, a de très bonnes propriétés pour faire de la lumière.

Le silicium, lui, il est très bien pour faire des transistors, mais il n’est pas capable de produire de la lumière. Donc, par exemple, toutes les LED que vous voyez dans votre quotidien, c’est des semi-conducteurs trois-cinq dedans. OK. Donc pour en revenir à ma thèse, le but de ma thèse, c’est de fabriquer des lasers en semi-conducteurs trois-cinq qui ont les propriétés physiques adéquates pour produire de la lumière. Et ensuite, c’est de déplacer ces micro-lasers une fois que je les ai fabriqués de leur semi-conducteur trois-cinq à un circuit intégré qui, lui, est fait en silicium. Parce que spécificité, pas de chance avec la Physique sur ce coup-là, mais on ne peut pas directement faire pousser des lasers en trois-cinq sur silicium.

On a des problèmes qu’on dit d’accord de maille. Si je devais trouver une analogie, ce serait, imaginez que vous avez des œufs, vous pouvez les empiler, vous pouvez faire des pyramides d’œufs. Vous pouvez faire une grosse pyramide en empilant les œufs, vous savez, en hexagone, ça tient bien. Vous faites pareil avec des billes. Vous avez des billes, pareil, c’est des sphères, vous pouvez les empiler, faire des pyramides de billes, si vous voulez. Par contre, si vous essayez de faire une pyramide de billes sur une couche d’œufs, on va avoir un problème de taille. Ça ne va pas bien rentrer. Et là, c’est pareil avec ces semi-conducteurs. On a ce qu’on appelle un désaccord de maille. La taille de nos atomes et les interactions entre eux créent des distances qui ne sont pas adéquates les unes avec les autres et donc on ne peut pas faire grandir de laser, directement sur silicium. On doit fabriquer nos lasers nécessairement sur une autre galette de semi-conducteurs et ensuite trouver un moyen de transporter ces lasers une fois qu’ils sont fabriqués sur le silicium ou à côté du silicium, là où on veut en faire quelque chose.

Moi, le but de ma thèse, c’est d’utiliser une nouvelle méthode d’intégration qu’on appelle le microtransfer printing. Ça paraît un peu étrange, mais en fait, analogie très simple que vous pouvez faire avec votre quotidien : imaginez une miette de pain sur la table et vous la touchez avec votre doigt et vous retirez votre doigt et la miette de pain reste accrochée à votre doigt. Et ensuite, si vous vous débrouillez bien, vous pouvez reposer votre doigt autre part sur la table. Et là, vous pressez doucement et aussi, vous essayez de relever votre doigt un peu progressivement, pas tout d’un coup, en faisant un petit mouvement de roulement avec votre doigt. Et si vous vous débrouillez bien, que vous êtes assez agile, la miette de pain va rester sur la table. C’est exactement ce que je fais avec des lasers. Ce que j’ai fait, c’est déposer un laser, un composant électronique sur un autre composant électronique, un circuit intégré en silicium. Et ensuite, là, le travail n’est pas encore fini. Maintenant, il faut relier le laser au circuit intégré pour que le circuit intégré puisse allumer, éteindre le laser, le contrôler. 

S : Mh. 

E : Et là, je n’y suis pas encore. Là, je n’en suis qu’à l’étape précédente dans ma thèse, ce qui n’est déjà pas mal. 

L : Ce qui était nouveau. Non, mais ce qui n’existait pas jusqu’à maintenant. 

E : Ce qui existait très peu.

L : Mais tu ne sais pas encore si ça va fonctionner ? 

E : Ouais. Dans le cadre de ma thèse, je pense, ça peut se généraliser à pas mal de thèses CIFRE. Souvent, quand une entreprise est intéressée pour lancer une thèse CIFRE, c’est qu’on est quasi sûr que ça va marcher, mais pas forcément que c’est viable industriellement. On a des problèmes de rendement.

Par exemple, moi, là, je développe ce procédé pour transférer des lasers sur des circuits intégrés. Le tout est de savoir : est-ce que j’ai un assez bon rendement ? Est-ce que j’arrive à transporter assez de mes lasers sans les endommager, sans les perdre et en réussissant à bien les détacher, suffisamment bien pour que ce soit assez rentable pour l’entreprise ?

L : Toi, tu as une spécificité, c’est que non seulement tu es chercheur, enfin, tu es doctorant, chercheur et en plus, tu es ingénieur engagé par une entreprise. Tu parlais tout à l’heure de la CIFRE [Convention industrielle de formation pour la recherche]. 

E : Heureusement que tu l’as dit, j’avais oublié. 

S : Voilà. 

E : C’est une collaboration entre un labo académique et une entreprise. J’ai trouvé ma thèse via le site internet de STMicroelectronics directement. Et c’est seulement à la fin de tous mes entretiens d’embauche avec eux, qu’ils m’ont dit avec quel labo je travaillerais. Et il se trouvait que c’était au C2N où j’étais déjà venu, dans l’équipe Odin où j’étais déjà venu, ce qui est assez cocasse.

S : Et du coup, la propriété intellectuelle, elle revient à qui ? 

E : Ça peut être partagé. Il peut aussi y avoir des accords par-dessus les contrats. Donc, si je veux publier un papier à un moment, il faut que je demande l’accord à mon entreprise pour savoir ce qui est confidentiel ou non.

S : Donc ça peut être un peu touchy touchy parfois. 

E : Parfois, ça peut être un peu touchy touchy.

L : Qui engage qui en premier ? 

E : Ça peut dépendre du parcours de chaque doctorant CIFRE. Moi, mon offre de thèse, je l’avais trouvée via le site de mon entreprise. Je cherchais des thèses, j’ai postulé dans pas mal d’endroits. Et puis je connaissais cette entreprise pour des raisons un peu personnelles, parce que j’adore faire de l’électronique de mon côté. Et moi, je connaissais cette entreprise de base franco-italienne qui fait des semi-conducteurs. J’étais là : « Bien, ça pourrait être tentant ». Et du coup, je suis allé sur leur site et j’ai vu des offres de thèses CIFRE. J’ai postulé, ils m’ont recontacté.

 STMicroelectronics, c’est une entreprise experte dans le domaine de tout ce qui est circuits intégrés en silicium. Et c’est notamment pour ça qu’ils sont intéressés par cette thèse. Eux, ils vont fournir, si on avance assez bien, toute l’expertise au niveau des circuits intégrés.

S : C’est quoi l’aspect nano dans ce que tu fais ? Parce qu’on est vraiment sur du tout petit. Parce que j’imagine, ta galette, elle n’est pas si petite que ça, quand tu déposes ton laser, il n’est pas minuscule. 

E : Si, mon laser, il est tout petit. C’est un carré de 100 microns par 100 microns. C’est un carré dont un côté fait l’épaisseur de trois cheveux.

S : Et ça, ça peut émettre un faisceau lumineux ? 

E : Ouais. Et c’est à peu près le même type de laser que tu as déjà dans les lecteurs CD, dans les capteurs LiDAR. Des capteurs, qui commencent à être pas mal utilisés par l’industrie automobile, notamment, pour tout ce qui est voiture autonome.

L : Est-ce que tu peux nous décrire peut-être dans ton quotidien les machines sur lesquelles tu travailles ? 

E : En salle blanche, première chose qu’on trouve déjà, c’est des galettes de semi-conducteurs trois cinq, qui ont déjà été épitaxiés. L’épitaxie, c’est le terme technique pour dire qu’on a déjà bombardé et déposé des couches d’atomes, avec les propriétés qu’on voulait.

Ensuite, les principales catégories de choses que je vais avoir à faire, c’est déposer des matériaux. Pour ça, on a plusieurs machines. Bon, pour dire les termes techniques, on fait de la PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, donc du dépôt de matière par phase vapeur amélioré par plasma. C’est une machine dans laquelle on met notre échantillon dans un petit sas. On ferme le sas. La machine avale notre échantillon. Il se passe des choses à l’intérieur à base de plasma, de gaz plus ou moins toxiques. Une heure après, on ouvre le sas et hop, on a notre échantillon avec une petite couche de quelques nanomètres ou quelques micromètres de matière qui a été déposée. 

S : OK. Ensuite ?

E : Je dois aussi faire des gravures. Pareil, on ouvre la machine, on met l’échantillon, on ferme la machine. Et là, il y a des réactions physico-chimiques qui se passent et ça va venir attaquer la surface de notre échantillon à base de bombardements d’ions, d’atomes, à base de réactions chimiques un peu aussi. Et ça va venir gratter un peu à certains endroits notre échantillon et ça va enlever de la matière. Et ensuite, autre machine que je vais utiliser, c’est de la lithographie. Donc, ça, c’est pour faire des dessins sur mes lasers avec de la résine. Comme ça, je peux faire des formes, je peux faire apparaître des motifs en semi-conducteur sur mes lasers.

Il faut compter plusieurs jours, plusieurs semaines pour partir d’une galette de semi-conducteurs à la base jusqu’à des lasers aboutis à la fin.

Je suis beaucoup aidé par les ingénieurs de salle blanche, des personnes dont c’est le travail, de faire de l’ingénierie pour nous aider, nous, chercheurs et doctorants, à mener à bien nos projets. Donc, ils sont autant là pour maintenir et nous aider à utiliser les machines en salle blanche que pour nous aider à fabriquer des setups…

S : À ne pas les casser, surtout.

E : À ne pas les casser, surtout. Voilà, ils apportent une grande expertise technique pour nous aider à mener à bien nos projets.

L : Donc là, tu es à la phase où tu vas peut-être être un peu plus du côté entreprise maintenant pour voir… ce n’est pas l’application directe, mais au moins tester et voir ce qui fonctionne. 

E : Exactement. Là, je ne viens de faire qu’une année de thèse pour l’instant. Je rentre dans ma deuxième année de thèse. On a déjà réussi à faire quelques transferts. Maintenant, il faut quand même améliorer un peu les process, optimiser tout ça. Mais c’est vrai que je vais être, je pense, bientôt amené à aller un peu plus côté entreprise pour travailler sur ces étapes de caractérisation et ensuite avoir un retour d’information, savoir ce qui a marché, ce qui n’a pas marché et peut-être tout recommencer de zéro, mais en mieux.

L : Revenons au début de tes études avant que tu fasses ce stage, cette thèse, etc. Donc tu es jeune, tu aimes déjà la science ? 

E : Oui. Pour l’histoire, quand j’avais 14 ans, on s’était cotisé avec un ami à moi au collège pour acheter, tous les deux, ensemble, en mettant chacun 10 euros, un petit fer à souder. Et on a commencé l’électronique comme ça. Donc, ensemble, en démontant tout ce qui passait sous notre main, des appareils électroménagers, n’importe quel circuit qu’on trouvait, qu’on voyait traîner, on le démontait. C’est comme ça qu’on a appris l’électronique à deux.

Bac scientifique, ensuite classe préparatoire, physique technologie. Ensuite, j’intègre l’École normale supérieure de Paris-Saclay. J’y fais quatre ans de scolarité. Sur ces quatre ans de scolarité, je passe quand même un an et demi en Suisse, à Lausanne et à Zurich pour travailler sur des semi-conducteurs et de l’optoélectronique. En échange universitaire, dans des laboratoires académiques. Et on en arrive à la thèse et m’y voilà. Et ça fait déjà un an.

S : Comment est-ce que toi, étudiant, tu commences à bosser dans le laboratoire ? 

E : Il y a toujours une grande partie de littérature, de revue bibliographique au début de son stage, de sa thèse ou même d’un nouveau projet, même si on est un chercheur déjà confirmé. On n’est pas directement les mains dans le cambouis, aller en salle blanche et fabriquer. Donc on prend le temps, on s’informe, on revoit parfois des bases de ce qui a pu nous servir dans des anciens cours qu’on a pu avoir en master.

Ensuite, quand on commence à préparer ses premières expériences, moi, dans mon cas, ça a été déjà d’aller en salle blanche, de commencer à préparer des premiers pseudo échantillons juste pour s’entraîner. Apprendre à utiliser les machines qu’il y a en salle blanche. Ce n’est pas toujours évident, elles sont parfois un peu compliquées.

Chose que j’ai pas encore faite, mais que d’autres doctorants peuvent faire, c’est aussi préparer un petit coin expérimental en dehors de la salle blanche. Donc avoir son propre banc optique pour faire ses propres mesures. Donc ça demande de faire une liste du matériel dont on va avoir besoin, de voir ce qui est déjà disponible dans le laboratoire, de voir ce qu’il va falloir acheter. Mais tout ça, ça vient au fur et à mesure.

S : Tu dois faire le montage aussi derrière ? 

E : Ouais, exactement. Partie qu’il ne faut pas négliger, ça demande une grande précision et une grande agilité d’installer des dizaines et des dizaines de petits miroirs et de petits filtres sur un banc optique.

S : Et du coup, à quel moment on dit : « OK, c’est bon, tu es prêt » ? 

E : Non, souvent, on commence par des petites manips, des petites expériences, ce n’est jamais un grand setup qu’on fait de zéro. Donc d’abord, on veut faire une petite mesure, sur un coin de table comme ça, pas grand-chose. Puis on en tire des conclusions, puis on se dit : « OK, la prochaine fois, je ferai cette mesure-là qui sera un peu plus grosse » et ainsi de suite. Et plus on avance dans le sujet, plus on prend confiance dans ces mesures, dans ce qu’on a déjà fait, plus on commence à maîtriser la chose aussi. C’est progressif.

L : Est-ce que tu as déjà fait une grosse bourde ? 

E : J’en ai fait une, il n’y a pas plus tard que la semaine dernière. Mais ce n’était pas une grosse bourde, rien d’irrécupérable. Mais, normalement, il faut toujours noter sur un petit carnet ou tenir un petit fichier en ligne où on en est dans l’avancement de son échantillon pour ne pas s’emmêler les pinceaux. Je ne suis pas très assidu sur ça. Et à un moment, j’ai donné un de mes échantillons à un ingénieur de salle blanche pour qu’il fasse un dépôt de matériaux dessus et j’avais complètement oublié de faire l’étape précédente dessus. Donc, mon échantillon n’est pas gâché du tout. Je peux juste le nettoyer avec quelques solvants et quelques produits chimiques et c’est reparti pour un tour. Mais c’est vrai que c’était une petite boulette de ma part. Ça m’a fait perdre quelques jours.

S : Est-ce que tu as la pression ici ? vu que tu as un peu la tête entre le labo, la boîte, il y a des objectifs attendus.

E : Hmmm, comme pour toute thèse, on ne peut pas forcer la physique à faire des choses qu’elle peut pas faire. Donc, on ne peut pas forcer quelqu’un à avoir des résultats. On compte juste sur la personne pour faire de son mieux, dans la limite de ce qui est raisonnable pour soi-même, pour sa santé, sans se faire du mal. Mais je pense que tous les doctorants, que j’ai vus ici au C2N et même que je connais en dehors, sont assez motivés par leur sujet. Personne ne traîne vraiment des pieds pour venir au labo le matin. Il y a des jours où on est plus motivé que d’autres, mais à la fin, on est toujours quand même un peu fier de travailler sur ce qu’on fait. Donc on n’est pas trop forcé, on n’est pas trop poussé. Souvent, les gens d’eux-mêmes travaillent comme il faut. Et après, pour ce qui est des deadlines, ça va, c’est toujours négociable. Quand on a des deadlines un peu short, on peut toujours repousser un peu. Ça va. On vit bien, on n’est pas, on n’est pas trop stressé. Moi, je suis extrêmement passionné par mon sujet. Je le trouve vraiment très bien. J’adore travailler dessus. Je ne compte pas mes heures.

S : Si tu pouvais découvrir n’importe quel métier dans un prochain épisode de PodTaf, ce serait quel métier ?

E : Eh bien, je pense que j’adorerais, hmm, bonne question. C’est peut-être parce que j’ai passé beaucoup trop de temps sur le plateau de Saclay, qui est un endroit toujours, constamment en construction, mais j’adorerais savoir ce que ça fait d’être grutier. Je vois des grues constamment sur ce plateau, partout, depuis que j’y suis. Ça fait maintenant cinq ans.

S : C’est vrai. 

E : Il doit y avoir une sacrée belle vue depuis en haut. Je sais que ce n’est pas facile quand même comme métier, mais je pense qu’il doit y avoir des sacrées anecdotes de quelqu’un qui doit exercer ce métier depuis longtemps. Sûrement des bons côtés, des mauvais côtés. Je pense que ça pourrait être intéressant.

S : Ça serait trop stylé. Eh bien, très bonne réponse. 

L : Challenge vraiment accepté. 

Je crois qu’on peut dire que tu nous as apporté un peu de lumière sur un métier qu’on connaît finalement très peu. Chercher comment la lumière peut devenir un outil pour détecter, transmettre ou traiter de l’information, c’est ton quotidien. Et on comprend mieux pourquoi la photonique ouvre autant de portes.

Merci Emeric, d’œuvrer pour notre présent et futur. 

E : Merci à vous.