Forskare vid Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, i samarbete med CEA LETI och STMicroelectronics, har demonstrerat en kraftsnål och höghastighets kisel-germanium lavinfotomottagare. Enheten är helt kompatibel med tillgänglig halvledarteknik och fiberoptiska länkar som drivs med telekomvågbandsstandard.

På grund av dess låga kostnad, högt utbyte, och tät integrationsförmåga, kisel nanofotonik tillgodoser behoven av exponentiellt växande kommunikation i datacenter, högpresterande datorer, och molntjänster. För detta ändamål, ett stort antal nanofotoniska funktioner är nu tillgängliga på ett enda chip, eftersom de drar fördel av kiselgjuteriprocessens mognad. Optiska fotodetektorer har legat i framkant av forskningsintresset sedan de första dagarna av integrerad nanofotonik. Hittills, de flesta fotodetektorer använder sig av kristallina halvledare från III-V och grupp-IV materialklasser för att bygga optiska mottagare, eftersom dessa material i stor utsträckning utnyttjas av mikroelektronisk industri.

III-V-föreningar (dvs. indiumgalliumarsenid [InGaAs] och indiumgalliumarsenidfosfid [InGaAsP]) ger det mest mogna materialsystemet med direkt bandgap med välbemästrade fotodetektordesigner och tillverkningsflöden. Dock, III-V-detektorer lider av allvarliga utmaningar såsom för hög spänningsförsörjning, kostsam tillverkning utanför CMOS-gjuterier (komplementära metall-oxid-halvledare) eller komplex hybrid/heterogen integration med andra fotoniska plattformar. I kontrast, fotodetektorer gjorda av kisel och germanium (grupp-IV-material) är för närvarande ett moget alternativ som utnyttjar låg kostnad och produktionsmångsidighet med en gjuterikompatibel monolitisk integration på ett enda chip.

Kisel-germanium-baserade halvledarlavinfotodioder som omvandlar signaler från en optisk till en elektrisk domän för låg optisk effekt är känsligare än vanliga metall-halvledar-metall- och PIN-dioder. Lavinfotodioder är de mest tilltalande för avancerade energieffektiva och höghastighetsapplikationer eftersom de drar fördel av en intern multiplikationsvinst, som möjliggör generering av flera fotobärare per en absorberad foton, och därmed i sig öka enhetens prestanda. Ändå, kisel-germanium lavinfotodetektorer har sina egna brister. Starka elektriska fält krävs för att initiera bärarens multiplikation, som också avger överskottsljud. Lavinenheter utmanas också av drift under högre spänningsförsörjning och/eller de upptäcker endast låga till måttliga bithastigheter.

I ett verk publicerat i Optica , forskare vid Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies—C2N (CNRS/Univ. Paris-Saclay), i samarbete med CEA LETI och STMicroelectronics, har uppnått 40 Gbps on-chip signaldetektering vid vanliga telekommunikationsvåglängder. Detta var möjligt tack vare realiseringen av kostnadseffektiva och CMOS-kompatibla lavinfotodioder med hetero-strukturerad kisel-germanium-korsning.

Fotodetektorerna av kisel-germanium lavin bearbetades i CEA LETI:s renrumsanläggningar med en fotonisk plattform med öppen åtkomst för monolitisk integration och konventionella CMOS-verktyg. För att helt kvantifiera den optoelektriska prestandan, tillverkade enheter karakteriserades vid C2N tack vare labbkunskaperna i optiska högfrekventa experiment. Skredfotodetektorerna är i huvudsak enkla hetero-strukturerade PIN-dioder som drivs med sub-10V förspänning. Nyckeln för deras överlägsna opto-elektriska prestanda är den kompakta PIN-dioden med sub-µm kopplingsarea. PIN-dioden drar nytta av en starkt lokaliserad stötjoniseringsprocess som äger rum vid heterostrukturerade kisel-germanium-gränssnitt.

Fotodiodens miniatyriserade elektriska struktur utnyttjar exceptionella lågbrusegenskaper hos kisel och den lokaliserade lavinmultiplikationen hjälper till att undertrycka parasitiskt överskott av buller, tack vare en dead-space-effekt. I tur och ordning, detta möjliggör realisering av en avancerad on-chip fotonisk mottagare med samtidig höghastighet, låg brus och energivänlig drift vid kommersiella telekommunikationsvåglängder. Som ett resultat, trovärdiga effektkänsligheter på -13 dBm och -11 dBm mättes för överföringsbithastigheter 32 Gbps och 40 Gbps, respektive.

Dessa resultat öppnar upp möjligheter för chip-skala nanofotonik inom moderna optoelektroniska och kommunikationsområden. Således, fotomottagarna har applikationer i dataöverföringssystem, inklusive datacenter, cloud computing och high-computing servrar, eller chip-skala sammankopplingar, för att bara nämna några.