Investigadores del Centre de Nanociences et de Nanotechnologies, en cooperación con CEA LETI y STMicroelectronics, han demostrado un fotorreceptor de avalancha de silicio-germanio de alta velocidad y eficiencia energética. El dispositivo es totalmente compatible con tecnología de semiconductores accesibles y enlaces de fibra óptica operados en el estándar de banda de ondas de telecomunicaciones.

Debido a su bajo costo, alto rendimiento, y capacidad de integración densa, La nanofotónica de silicio aborda las necesidades del crecimiento exponencial de las comunicaciones en los centros de datos. ordenadores de alto rendimiento, y servicios en la nube. Para tal fin, una gran cantidad de funciones nanofotónicas ahora están disponibles en un solo chip, ya que aprovechan la madurez del proceso de fundición de silicio. Los fotodetectores ópticos han estado a la vanguardia del interés de la investigación desde los primeros días de la nanofotónica integrada. Hasta la fecha, la mayoría de los fotodetectores utilizan semiconductores cristalinos de las clases de materiales III-V y del grupo IV para construir receptores ópticos, ya que esos materiales son ampliamente aprovechados por la industria microelectrónica.

Compuestos III-V (es decir, arseniuro de galio indio [InGaAs] y arseniuro de galio fosfuro de indio [InGaAsP]) proporcionan el sistema de material de banda prohibida directa más maduro con diseños de fotodetectores y flujos de fabricación bien dominados. Sin embargo, Los detectores III-V sufren desafíos severos como suministros de voltaje demasiado alto, fabricación costosa fuera de las fundiciones CMOS (semiconductores de óxido metálico complementario) o integración compleja híbrida / heterogénea con otras plataformas fotónicas. A diferencia de, Los fotodetectores hechos de silicio y germanio (materiales del grupo IV) son actualmente una alternativa madura que aprovecha el bajo costo y la versatilidad de producción con una integración monolítica compatible con la fundición en un solo chip.

Los fotodiodos de avalancha de semiconductores basados ​​en silicio-germanio que transforman señales de un dominio óptico a uno eléctrico para una potencia óptica baja son más altamente sensibles que los diodos de metal-semiconductor-metal y PIN comunes. Los fotodiodos de avalancha son los más atractivos para aplicaciones avanzadas de alta velocidad y eficiencia energética, ya que aprovechan una ganancia de multiplicación interna, que permite la generación de múltiples portadores de fotos por fotón absorbido, y, por lo tanto, mejorar intrínsecamente el rendimiento del dispositivo. Sin embargo, Los fotodetectores de avalanchas de silicio-germanio tienen sus propias deficiencias. Se requieren campos eléctricos fuertes para iniciar la multiplicación del portador, que también emite un exceso de ruido. Los dispositivos de avalancha también se ven desafiados por la operación con suministros de voltaje más alto y / o solo detectan velocidades de bits bajas a moderadas.

En un trabajo publicado en Optica , investigadores del Centre de Nanociences et de Nanotechnologies — C2N (CNRS / Univ. Paris-Saclay), en colaboración con CEA LETI y STMicroelectronics, han logrado una detección de señal en chip de 40 Gbps en las principales longitudes de onda de las telecomunicaciones. Esto fue posible gracias a la realización de fotodiodos de avalancha rentables y compatibles con CMOS con unión heteroestructurada de silicio-germanio.

Los fotodetectores de avalancha de silicio-germanio se procesaron en las instalaciones de sala blanca de CEA LETI utilizando una plataforma fotónica de acceso abierto para la integración monolítica y herramientas CMOS convencionales. Para cuantificar completamente el rendimiento optoeléctrico, Los dispositivos fabricados se caracterizaron en el C2N gracias a las habilidades de laboratorio en experimentos ópticos de alta frecuencia. Los fotodetectores de avalancha son esencialmente simples diodos PIN heteroestructurados accionados con voltaje de polarización por debajo de 10V. El habilitador clave de su rendimiento optoeléctrico superior es el diodo PIN compacto con un área de unión sub-µm. El diodo PIN se beneficia de un proceso de ionización por impacto fuertemente localizado que tiene lugar en interfaces heteroestructuradas de silicio-germanio.

La estructura eléctrica miniaturizada del fotodiodo aprovecha las propiedades excepcionales de bajo ruido del silicio y la multiplicación de avalanchas localizada ayuda a suprimir el exceso de ruido parásito. gracias a un efecto de espacio muerto. Sucesivamente, esto permite la realización de un receptor fotónico avanzado en chip con alta velocidad simultánea, Funcionamiento con bajo nivel de ruido y ahorro de energía en longitudes de onda de telecomunicaciones comerciales. Como resultado, Se midieron sensibilidades de potencia creíbles de -13 dBm y -11 dBm para velocidades de transmisión de bits de 32 Gbps y 40 Gbps, respectivamente.

Estos resultados abren oportunidades para la nanofotónica a escala de chip en las áreas modernas de optoelectrónica y comunicación. Por lo tanto, los fotorreceptores tienen aplicaciones en sistemas de transmisión de datos, incluidos los centros de datos, servidores de computación en la nube y alta computación, o interconexiones a escala de chip, para nombrar sólo unos pocos.