Onderzoekers van het Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, in samenwerking met CEA LETI en STMicroelectronics, hebben een energiezuinige en snelle silicium-germanium lawinefoto-ontvanger gedemonstreerd. Het apparaat is volledig compatibel met toegankelijke halfgeleidertechnologie en glasvezelverbindingen die werken op telecomgolfbandstandaard.

Door de lage kosten, hoge opbrengst, en dicht integratievermogen, silicium nanofotonica komt tegemoet aan de behoeften van exponentieel groeiende communicatie in datacenters, krachtige computers, en clouddiensten. Hiertoe, een groot aantal nanofotonische functies zijn nu beschikbaar op een enkele chip, omdat ze profiteren van de rijpheid van het siliciumgieterijproces. Optische fotodetectoren staan ​​sinds de begindagen van geïntegreerde nanofotonica in de voorhoede van onderzoeksinteresse. Daten, de meeste fotodetectoren maken gebruik van kristallijne halfgeleiders van III-V en groep IV materiaalklassen om optische ontvangers te bouwen, aangezien deze materialen in grote lijnen worden gebruikt door de micro-elektronische industrie.

III-V-verbindingen (d.w.z. indium galliumarsenide [InGaAs] en indium galliumarsenide fosfide [InGaAsP]) bieden het meest volwassen materiaalsysteem met directe bandgap met goed beheerste fotodetectorontwerpen en fabricagestromen. Echter, III-V-detectoren hebben te kampen met ernstige uitdagingen, zoals te hoge spanningen, dure fabricage buiten CMOS (complementaire metaaloxide-halfgeleider) gieterijen of complexe hybride/heterogene integratie met andere fotonische platforms. In tegenstelling tot, fotodetectoren gemaakt van silicium en germanium (groep IV-materialen) zijn momenteel een volwassen alternatief dat gebruik maakt van lage kosten en productieveelzijdigheid met een gieterij-conforme monolithische integratie op een enkele chip.

Op silicium-germanium gebaseerde halfgeleider lawine fotodiodes die signalen transformeren van een optisch naar een elektrisch domein voor een laag optisch vermogen zijn gevoeliger dan gewone metaal-halfgeleider-metaal en PIN-diodes. Lawinefotodiodes zijn het meest aantrekkelijk voor geavanceerde energie-efficiënte en snelle toepassingen omdat ze profiteren van een interne vermenigvuldigingswinst, die het genereren van meerdere fotodragers per geabsorbeerd foton mogelijk maakt, en dus intrinsiek de prestaties van het apparaat verbeteren. Hoe dan ook, silicium-germanium lawine fotodetectoren hebben hun eigen tekortkomingen. Er zijn sterke elektrische velden nodig om de vermenigvuldiging van de drager te starten, die ook overmatig geluid afgeeft. Lawine-apparaten worden ook uitgedaagd door gebruik onder hogere spanningen en/of ze detecteren alleen lage tot matige bitsnelheden.

In een werk gepubliceerd in optiek , onderzoekers van het Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies-C2N (CNRS/Univ. Paris-Saclay), in samenwerking met CEA LETI en STMicroelectronics, hebben 40 Gbps on-chip signaaldetectie bereikt op reguliere telecommunicatiegolflengten. Dit was mogelijk dankzij de realisatie van kosteneffectieve en CMOS-compatibele lawinefotodiodes met heterogestructureerde silicium-germaniumovergang.

De silicium-germanium lawinefotodetectoren werden verwerkt in de cleanroomfaciliteiten van CEA LETI met behulp van een open-access fotonisch platform voor monolithische integratie en conventionele CMOS-tools. Om de opto-elektrische prestaties volledig te kwantificeren, gefabriceerde apparaten werden op de C2N gekarakteriseerd dankzij de laboratoriumvaardigheden in optische hoogfrequente experimenten. De lawinefotodetectoren zijn in wezen eenvoudige hetero-gestructureerde PIN-diodes die worden aangedreven met een voorspanning van minder dan 10 V. De belangrijkste factor die hun superieure opto-elektrische prestaties mogelijk maakt, is de compacte PIN-diode met sub-µm junctiegebied. De PIN-diode profiteert van een sterk gelokaliseerd impactionisatieproces dat plaatsvindt op heterogestructureerde silicium-germanium-interfaces.

De geminiaturiseerde elektrische structuur van de fotodiode maakt gebruik van uitzonderlijke geluidsarme eigenschappen van silicium en de plaatselijke lawinevermenigvuldiging helpt parasitaire overmatige ruis te onderdrukken, dankzij een dode-ruimte-effect. Beurtelings, dit maakt de realisatie mogelijk van een geavanceerde on-chip fotonische ontvanger met gelijktijdige high-speed, geluidsarme en energievriendelijke werking op commerciële telecommunicatiegolflengten. Als resultaat, geloofwaardige vermogensgevoeligheden van -13 dBm en -11 dBm werden gemeten voor transmissiebitsnelheden van 32 Gbps en 40 Gbps, respectievelijk.

Deze resultaten bieden mogelijkheden voor nanofotonica op chipschaal in moderne opto-elektronische en communicatiegebieden. Dus, de foto-ontvangers hebben toepassingen in datatransmissiesystemen, inclusief datacenters, cloud computing en high-computing servers, of interconnects op chipschaal, er enkele noemen.