Forskere udvikler højhastighed, laveffekt silicium-germanium-chips til cloud computing

Forskere ved Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, i samarbejde med CEA LETI og STMicroelectronics, har demonstreret en strømeffektiv og højhastigheds silicium-germanium lavinefotomodtager. Enheden er fuldt ud kompatibel med tilgængelig halvlederteknologi og fiberoptiske links, der drives på telekommunikationsbølgebåndsstandard.

På grund af dens lave omkostninger, højt udbytte, og tæt integrationsevne, silicium nanofotonik imødekommer behov for eksponentielt voksende kommunikation i datacentre, højtydende computere, og cloud-tjenester. Til denne ende, et stort antal nanofotoniske funktioner er nu tilgængelige på en enkelt chip, da de drager fordel af silicium-støberiprocesmodenhed. Optiske fotodetektorer har været på forkant med forskningsinteressen siden de tidlige dage af integreret nanofotonik. Til dato, de fleste fotodetektorer gør brug af krystallinske halvledere fra III-V og gruppe-IV materialeklasser til at bygge optiske modtagere, da disse materialer i vid udstrækning udnyttes af mikroelektronisk industri.

III-V forbindelser (dvs. indium gallium arsenid [InGaAs] og indium gallium arsenid phosphide [InGaAsP]) giver det mest modne materialesystem med direkte båndgab med velmestrede fotodetektordesign og fremstillingsflow. Imidlertid, III-V-detektorer lider under alvorlige udfordringer såsom for høje spændingsforsyninger, kostbar fremstilling uden for CMOS (komplementær metal-oxid-halvleder) støberier eller kompleks hybrid/heterogen integration med andre fotoniske platforme. I modsætning, fotodetektorer lavet af silicium og germanium (gruppe-IV materialer) er i øjeblikket et modent alternativ, der udnytter lave omkostninger og produktionsalsidighed med en støberi-kompatibel monolitisk integration på en enkelt chip.

Silicium-germanium-baserede halvleder lavinefotodioder, der transformerer signaler fra et optisk til et elektrisk domæne for lav optisk effekt, er mere følsomme end almindelige metal-halvleder-metal- og PIN-dioder. Lavinefotodioder er de mest tiltalende til avancerede strømbesparende og højhastighedsapplikationer, da de udnytter en intern multiplikationsgevinst, som muliggør generering af flere fotobærere pr. absorberet foton, og dermed iboende boost enhedens ydeevne. Alligevel, silicium-germanium lavinefotodetektorer har deres egne mangler. Der kræves stærke elektriske felter for at starte bærerens multiplikation, som også udsender overskydende støj. Avalanche-enheder udfordres også af drift under højere spændingsforsyninger, og/eller de registrerer kun lave til moderate bithastigheder.

I et værk udgivet i Optica , forskere ved Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies—C2N (CNRS/Univ. Paris-Saclay), i samarbejde med CEA LETI og STMicroelectronics, har opnået 40 Gbps on-chip signaldetektion ved almindelige telekommunikationsbølgelængder. Dette var muligt takket være realiseringen af ​​omkostningseffektive og CMOS-kompatible lavinefotodioder med heterostruktureret silicium-germanium-kryds.

Silicium-germanium lavinefotodetektorerne blev behandlet i CEA LETI's renrumsfaciliteter ved hjælp af en fotonisk platform med åben adgang til monolitisk integration og konventionelle CMOS-værktøjer. For fuldt ud at kvantificere den opto-elektriske ydeevne, fabrikerede enheder blev karakteriseret ved C2N takket være laboratoriefærdighederne i optiske højfrekvente eksperimenter. Lavinefotodetektorerne er i det væsentlige simple heterostrukturerede PIN-dioder drevet med sub-10V forspænding. Nøglen muliggør deres overlegne opto-elektriske ydeevne er den kompakte PIN-diode med sub-µm samlingsområde. PIN-dioden drager fordel af stærkt lokaliseret stødioniseringsproces, der finder sted ved heterostrukturerede silicium-germanium-grænseflader.

Den miniaturiserede elektriske struktur af fotodioden udnytter siliciums exceptionelle lavstøjegenskaber, og den lokaliserede lavinemultiplikation hjælper med at undertrykke parasitisk overskydende støj, takket være en dødrumseffekt. På tur, dette muliggør realisering af en avanceret on-chip fotonisk modtager med samtidig højhastighed, støjsvag og energivenlig drift ved kommercielle telekommunikationsbølgelængder. Som resultat, troværdige strømfølsomheder på -13 dBm og -11 dBm blev målt for transmissionsbithastigheder på 32 Gbps og 40 Gbps, henholdsvis.

Disse resultater åbner muligheder for chip-skala nanofotonik i moderne optoelektroniske og kommunikationsområder. Dermed, fotomodtagere har applikationer i datatransmissionssystemer, herunder datacentre, cloud computing og high-computing servere, eller chip-skala sammenkoblinger, for blot at nævne nogle få.