Ricercatori del Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, in collaborazione con CEA LETI e STMicroelectronics, hanno dimostrato un fotoricevitore foto valanga silicio-germanio efficiente dal punto di vista energetico e ad alta velocità. Il dispositivo è completamente compatibile con la tecnologia dei semiconduttori accessibile e i collegamenti in fibra ottica gestiti con lo standard della banda d'onda delle telecomunicazioni.

A causa del suo basso costo, ad alto rendimento, e densa capacità di integrazione, la nanofotonica di silicio risponde alle esigenze di comunicazioni in crescita esponenziale nei data center, computer ad alte prestazioni, e servizi cloud. A tal fine, un gran numero di funzioni nanofotoniche sono ora disponibili su un singolo chip, poiché sfruttano la maturità del processo di fonderia di silicio. I fotorivelatori ottici sono stati in prima linea nell'interesse della ricerca sin dagli albori della nanofotonica integrata. Ad oggi, la maggior parte dei fotorivelatori fa uso di semiconduttori cristallini delle classi di materiale III-V e gruppo-IV per costruire ricevitori ottici, poiché tali materiali sono ampiamente sfruttati dall'industria microelettronica.

composti III-V (cioè, arseniuro di indio gallio [InGaAs] e fosfuro di indio gallio arseniuro [InGaAsP]) forniscono il sistema di materiali a bandgap diretto più maturo con progetti di fotorivelatori e flussi di fabbricazione ben controllati. Però, I rilevatori III-V sono soggetti a gravi problemi come alimentatori ad alta tensione, produzione costosa al di fuori delle fonderie CMOS (complementare metallo-ossido-semiconduttore) o integrazione complessa ibrida/eterogenea con altre piattaforme fotoniche. In contrasto, i fotorivelatori realizzati in silicio e germanio (materiali del gruppo IV) sono attualmente un'alternativa matura che sfrutta il basso costo e la versatilità di produzione con un'integrazione monolitica conforme alla fonderia su un singolo chip.

I fotodiodi a valanga a semiconduttore a base di silicio-germanio che trasformano i segnali da un dominio ottico a uno elettrico per una bassa potenza ottica sono più altamente sensibili dei comuni diodi metallo-semiconduttore-metallo e PIN. I fotodiodi a valanga sono i più attraenti per applicazioni avanzate ad alta efficienza energetica e ad alta velocità in quanto sfruttano un guadagno di moltiplicazione interno, che consente la generazione di più supporti fotografici per un fotone assorbito, e quindi aumentare intrinsecamente le prestazioni del dispositivo. Tuttavia, i fotorilevatori a valanga al silicio-germanio hanno i loro difetti. Sono necessari forti campi elettrici per iniziare la moltiplicazione del vettore, che emette anche rumore in eccesso. I dispositivi a valanga sono anche messi alla prova dal funzionamento con tensioni di alimentazione più elevate e/o rilevano solo bit rate da bassi a moderati.

In un lavoro pubblicato su ottica , ricercatori del Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies—C2N (CNRS/Univ. Paris-Saclay), in collaborazione con CEA LETI e STMicroelectronics, hanno raggiunto 40 Gbps di rilevamento del segnale su chip alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni tradizionali. Ciò è stato possibile grazie alla realizzazione di fotodiodi a valanga economici e compatibili con CMOS con giunzione silicio-germanio eterostrutturata.

I fotorilevatori a valanga di silicio-germanio sono stati elaborati nelle strutture di camera bianca di CEA LETI utilizzando una piattaforma fotonica ad accesso aperto per l'integrazione monolitica e strumenti CMOS convenzionali. Per quantificare completamente le prestazioni optoelettriche, i dispositivi fabbricati sono stati caratterizzati presso il C2N grazie alle competenze di laboratorio negli esperimenti ottici ad alta frequenza. I fotorilevatori a valanga sono essenzialmente semplici diodi PIN etero-strutturati pilotati con una tensione di polarizzazione inferiore a 10V. L'elemento chiave delle loro prestazioni optoelettriche superiori è il diodo PIN compatto con area di giunzione inferiore al µm. Il diodo PIN beneficia di un processo di ionizzazione a impatto fortemente localizzato che si svolge su interfacce silicio-germanio eterostrutturate.

La struttura elettrica miniaturizzata del fotodiodo sfrutta le eccezionali proprietà a basso rumore del silicio e la moltiplicazione a valanga localizzata aiuta a sopprimere il rumore parassita in eccesso, grazie ad un effetto di spazio morto. A sua volta, ciò consente la realizzazione di un avanzato ricevitore fotonico on-chip con simultanea ad alta velocità, funzionamento a basso rumore e risparmio energetico alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni commerciali. Di conseguenza, sensibilità di alimentazione credibili di -13 dBm e -11 dBm sono state misurate per bit rate di trasmissione 32 Gbps e 40 Gbps, rispettivamente.

Questi risultati aprono opportunità per la nanofotonica su scala di chip nelle moderne aree dell'optoelettronica e della comunicazione. Così, i fotoricevitori trovano applicazione nei sistemi di trasmissione dati, compresi i data center, cloud computing e server ad alta capacità di calcolo, o interconnessioni su scala di chip, per citarne solo alcuni.