Chercheurs du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, en coopération avec le CEA LETI et STMicroelectronics, ont démontré un photorécepteur à avalanche silicium-germanium économe en énergie et à grande vitesse. L'appareil est entièrement compatible avec la technologie des semi-conducteurs accessible et les liaisons à fibre optique exploitées selon la norme de bande d'ondes des télécommunications.

En raison de son faible coût, haut rendement, et une capacité d'intégration dense, la nanophotonique sur silicium répond aux besoins des communications en croissance exponentielle dans les centres de données, ordinateurs hautes performances, et les services cloud. À cette fin, un grand nombre de fonctions nanophotoniques sont désormais disponibles sur une seule puce, car ils tirent parti de la maturité du processus de fonderie du silicium. Les photodétecteurs optiques sont au premier plan des intérêts de la recherche depuis les premiers jours de la nanophotonique intégrée. À ce jour, la plupart des photodétecteurs utilisent des semi-conducteurs cristallins des classes de matériaux III-V et groupe-IV pour construire des récepteurs optiques, car ces matériaux sont largement exploités par l'industrie microélectronique.

Composés III-V (c'est-à-dire, l'arséniure d'indium et de gallium [InGaAs] et le phosphure d'arséniure d'indium et de gallium [InGaAsP]) fournissent le système de matériaux à bande interdite directe le plus mature avec des conceptions de photodétecteurs et des flux de fabrication bien maîtrisés. Cependant, Les détecteurs III-V souffrent de graves problèmes tels que des alimentations trop haute tension, fabrication coûteuse en dehors des fonderies CMOS (complémentaire métal-oxyde-semiconducteur) ou intégration hybride/hétérogène complexe avec d'autres plateformes photoniques. En revanche, les photodétecteurs fabriqués à partir de silicium et de germanium (matériaux du groupe IV) sont actuellement une alternative mature tirant parti d'un faible coût et d'une polyvalence de production avec une intégration monolithique conforme à la fonderie sur une seule puce.

Les photodiodes à avalanche à semi-conducteur à base de silicium-germanium qui transforment les signaux d'un domaine optique en un domaine électrique pour une faible puissance optique sont plus sensibles que les diodes métal-semi-conducteur-métal et PIN courantes. Les photodiodes à avalanche sont les plus attrayantes pour les applications avancées économes en énergie et à grande vitesse car elles capitalisent sur un gain de multiplication interne, qui permet la génération de plusieurs photoporteurs par photon absorbé, et ainsi augmenter intrinsèquement les performances de l'appareil. Néanmoins, les photodétecteurs à avalanche au silicium-germanium ont leurs propres défauts. Des champs électriques puissants sont nécessaires pour initier la multiplication du porteur, qui émet également un excès de bruit. Les dispositifs d'avalanche sont également mis à l'épreuve par le fonctionnement sous des tensions d'alimentation plus élevées et/ou ils ne détectent que des débits binaires faibles à modérés.

Dans un ouvrage publié en Optique , chercheurs du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies—C2N (CNRS/Univ. Paris-Saclay), en collaboration avec le CEA LETI et STMicroelectronics, ont atteint une détection de signal sur puce de 40 Gbit/s aux longueurs d'onde de télécommunication grand public. Cela a été possible grâce à la réalisation de photodiodes à avalanche économiques et compatibles CMOS avec une jonction silicium-germanium hétéro-structurée.

Les photodétecteurs à avalanche silicium-germanium ont été traités dans les salles blanches du CEA LETI à l'aide d'une plateforme photonique en accès libre pour une intégration monolithique et d'outils CMOS conventionnels. Pour quantifier pleinement les performances opto-électriques, les dispositifs fabriqués ont été caractérisés au C2N grâce aux compétences du laboratoire dans les expériences optiques à haute fréquence. Les photodétecteurs à avalanche sont essentiellement de simples diodes PIN hétérostructurées alimentées par une tension de polarisation inférieure à 10 V. Le facteur clé de leurs performances opto-électriques supérieures est la diode PIN compacte avec une zone de jonction inférieure au µm. La diode PIN bénéficie d'un processus d'ionisation par impact fortement localisé se déroulant aux interfaces silicium-germanium hétéro-structurées.

La structure électrique miniaturisée de la photodiode tire parti des propriétés exceptionnelles de faible bruit du silicium et la multiplication par avalanche localisée permet de supprimer les excès de bruit parasite, grâce à un effet d'espace mort. À son tour, cela permet la réalisation d'un récepteur photonique sur puce avancé avec une vitesse élevée simultanée, fonctionnement à faible bruit et économe en énergie aux longueurs d'onde des télécommunications commerciales. Par conséquent, des sensibilités de puissance crédibles de -13 dBm et -11 dBm ont été mesurées pour des débits de transmission de 32 Gbps et 40 Gbps, respectivement.

Ces résultats ouvrent des opportunités pour la nanophotonique à l'échelle des puces dans les domaines de l'optoélectronique et des communications modernes. Ainsi, les photorécepteurs ont des applications dans les systèmes de transmission de données, y compris les centres de données, cloud computing et serveurs de haut calcul, ou des interconnexions à l'échelle de la puce, pour n'en nommer que quelques uns.