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研究人员开发了用于云计算的高速、低功耗硅锗

更新时间:2020-07-12 21:36点击:

纳米科学与纳米技术中心的研究人员与CEA LETI和意法半导体合作,展示了一种高效和高速的硅锗雪崩光电接收器。该设备完全兼容可访问半导体技术和光纤连接操作在电信波段标准。

由于其低成本、高产量和密集集成能力,硅纳米光子学满足了在数据中心、高性能计算机和云服务中呈指数增长的通信需求。为了达到这一目的,大量的纳米光子功能现在可以在单个芯片上使用,因为它们利用了成熟的硅铸造工艺。自早期集成纳米光子学以来,光电探测器一直处于研究的前沿。迄今为止,大多数光电探测器都是利用III-V和group-IV材料类的晶体半导体来制造光学接收器,因为这些材料被微电子工业广泛利用。

(即III-V化合物。(例如,铟镓砷化物[InGaAs]和铟镓砷磷化物[InGaAsP])提供了最成熟的直接带隙材料体系,具有良好的光电探测器设计和制造流程。然而,III-V探测器面临着严峻的挑战,如过高的电压供应,在CMOS(互补金属-氧化物-半导体)铸造厂以外的昂贵制造,或与其他光子平台复杂的混合/异质集成。相比之下,由硅和锗(group-IV材料)制成的光电探测器目前是一种成熟的替代品,利用了低成本和生产多用途,在单片芯片上采用了与芯片兼容的单片集成电路。

与普通的金属-半导体-金属和PIN二极管相比,基于硅锗的半导体雪崩光电二极管具有更高的灵敏度。雪崩光电二极管是最具吸引力的先进高效和高速应用,因为他们利用内部倍增增益,使产生多个光载体每一个吸收光子,从而本质上提高了设备的性能。然而,硅锗雪崩光电探测器有其自身的缺点。强电场需要启动载流子的倍增,这也会释放出过量的噪声。雪崩装置也被挑战运行在更高的电压供应和/或他们只检测低到中等比特率。

纳米科学与纳米技术中心c2n (CNRS/Univ)的研究人员在Optica上发表了一篇论文。在与CEA LETI和意法半导体的合作下,已经在主流通信波长上实现了40 Gbps的片上信号检测。这要感谢成本效益和cmos兼容的异质结构硅锗结雪崩光电二极管的实现。

这种硅锗雪崩光电探测器是在CEA LETI公司的洁净室设备中使用开放接入的单片集成光子平台和传统的CMOS工具进行处理的。为了充分量化光电性能,利用光学高频实验的实验室技能,在C2N对所制造的器件进行了表征。雪崩光电探测器本质上是简单的异质结构引脚二极管驱动的亚10v偏置电压。其优异的光电性能的关键是具有亚准m结区的紧凑引脚二极管。引脚二极管得益于在异质结构的硅锗界面发生的强定域碰撞电离过程。

光电二极管的微型化电气结构充分利用了硅的低噪声特性,而由于死空间效应,局域雪崩倍增有助于抑制寄生过量噪声。反过来,这使得实现一个先进的片上光子接收器与同时高速,低噪音和能源友好的操作在商业通信波长。结果,在传输比特率为32 Gbps和40 Gbps时,测量了-13 dBm和-11 dBm的可靠功率灵敏度。

这些结果为芯片级纳米光子学在现代光电子和通信领域提供了机会。因此,照片接收器在数据传输系统中有应用,其中包括数据中心、云计算和高计算服务器或芯片级互连,等等。