p Pesquisadores do Center de Nanosciences et de Nanotechnologies, em cooperação com CEA LETI e STMicroelectronics, demonstraram um receptor fotográfico de avalanche de silício-germânio de alta velocidade e com baixo consumo de energia. O dispositivo é totalmente compatível com a tecnologia de semicondutor acessível e links de fibra ótica operados no padrão de banda de ondas de telecomunicações. p Devido ao seu baixo custo, alto rendimento, e capacidade de integração densa, a nanofotônica de silício atende às necessidades de comunicações em crescimento exponencial em data centers, computadores de alto desempenho, e serviços em nuvem. Para este fim, um grande número de funções nanofotônicas estão agora disponíveis em um único chip, pois aproveitam a maturidade do processo de fundição de silício. Os fotodetectores ópticos estão na vanguarda do interesse de pesquisa desde os primeiros dias da nanofotônica integrada. A data, a maioria dos fotodetectores usa semicondutores cristalinos das classes de materiais III-V e grupo IV para construir receptores ópticos, já que esses materiais são amplamente aproveitados pela indústria microeletrônica.

p Compostos III-V (isto é, arsenieto de índio-gálio [InGaAs] e fosforeto de índio-gálio arsenieto [InGaAsP]) fornecem o sistema de material bandgap direto mais maduro com designs fotodetectores e fluxos de fabricação bem controlados. Contudo, Os detectores III-V sofrem de graves desafios, como fontes de alta tensão, manufatura cara fora das fundições de CMOS (semicondutores de óxido de metal complementar) ou integração híbrida / heterogênea complexa com outras plataformas fotônicas. Em contraste, fotodetectores feitos de silício e germânio (materiais do grupo IV) são atualmente uma alternativa madura, alavancando baixo custo e versatilidade de produção com uma integração monolítica compatível com fundição em um único chip.

p Os fotodiodos de avalanche de semicondutores à base de silício-germânio que transformam os sinais de um domínio óptico em elétrico para uma potência óptica baixa são mais altamente sensíveis do que os diodos de metal-semicondutor-metal e PIN comuns. Os fotodiodos de avalanche são os mais atraentes para aplicações avançadas de alta velocidade e eficiência energética, pois capitalizam em um ganho de multiplicação interno, que permite a geração de múltiplos portadores de fotos por um fóton absorvido, e, assim, aumentar intrinsecamente o desempenho do dispositivo. No entanto, os fotodetectores de avalanche de silício-germânio têm suas próprias deficiências. Fortes campos elétricos são necessários para iniciar a multiplicação do portador, que também emite ruído excessivo. Os dispositivos Avalanche também são desafiados pela operação sob fontes de voltagem mais altas e / ou detectam apenas taxas de bits baixas a moderadas.

p Em trabalho publicado em Optica , pesquisadores do Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies — C2N (CNRS / Univ. Paris-Saclay), em colaboração com CEA LETI e STMicroelectronics, alcançaram detecção de sinal no chip de 40 Gbps nos principais comprimentos de onda de telecomunicações. Isso foi possível graças à realização de fotodiodos de avalanche de baixo custo e compatíveis com CMOS com junção heteroestruturada de silício-germânio.

p Os fotodetectores de avalanche de silício-germânio foram processados ​​nas instalações de sala limpa do CEA LETI usando uma plataforma fotônica de acesso aberto para integração monolítica e ferramentas CMOS convencionais. Para quantificar totalmente o desempenho optoelétrico, dispositivos fabricados foram caracterizados no C2N graças às habilidades de laboratório em experimentos ópticos de alta frequência. Os fotodetectores de avalanche são essencialmente diodos PIN heteroestruturados simples acionados com tensão de polarização sub-10V. O principal capacitador de seu desempenho optoelétrico superior é o diodo PIN compacto com área de junção sub-µm. O diodo PIN se beneficia do processo de ionização por impacto fortemente localizado que ocorre em interfaces heteroestruturadas de silício-germânio.

p A estrutura elétrica miniaturizada do fotodiodo aproveita as propriedades excepcionais de baixo ruído do silício e a multiplicação de avalanche localizada ajuda a suprimir o excesso de ruído parasita, graças a um efeito de espaço morto. Por sua vez, isso permite a realização de um receptor fotônico on-chip avançado com alta velocidade simultânea, operação econômica e de baixo ruído em comprimentos de onda de telecomunicações comerciais. Como resultado, sensibilidades de potência confiáveis ​​de -13 dBm e -11 dBm foram medidas para taxas de transmissão de bits de 32 Gbps e 40 Gbps, respectivamente.

p Esses resultados abrem oportunidades para nanofotônica em escala de chip nas áreas optoeletrônicas e de comunicação modernas. Assim, os receptores de fotos têm aplicações em sistemas de transmissão de dados, incluindo data centers, computação em nuvem e servidores de alta computação, ou interconexões em escala de chip, para citar apenas alguns exemplos.