Des chercheurs du C2N, en coopération avec le CEA LETI et STMicroelectronics, ont réalisé un photo-détecteur rapide à avalanche de haute efficacité en silicium-germanium. Le composant, de technologie de fabrication entièrement compatible avec celle de l’industrie électronique des semi-conducteurs, répond aussi aux standards actuels des réseaux de fibres optiques de télécommunications à haut débit de transmission.

Par sa capacité d'intégration à haute densité avec un haut rendement de fabrication à faible coût, la nano-photonique sur silicium est une technologie en mesure de répondre aux besoins des systèmes de communications dont les flux de données sont en croissance continuelle : centres de données, ordinateurs à haute performance, clouds, etc. La maturité des technologies silicium permet déjà de disposer d’un grand nombre de fonctions nano-photoniques intégrables sur une seule puce. Parmi elles, la photo-détection associe des matériaux semi-conducteurs III-V et IV, déjà largement exploités par l'industrie de la microélectronique. Les composés III-V (à savoir l'arséniure d'indium-gallium (InGaAs) et le phosphure-arséniure d'indium-gallium (InGaAsP)) sont les matériaux à bande interdite directe qui conduisent actuellement à la fabrication la plus mature de photo-détecteurs grâce à des processus bien maîtrisés. Cependant, cette fabrication est coûteuse en dehors des fonderies classiques CMOS et l’intégration hybride/hétérogène avec d'autres plates-formes photoniques reste complexe. Les photo-détecteurs fabriqués à base de silicium et de germanium (matériaux du groupe IV) peuvent constituer une technologie alternative mature en tirant parti d'une production à faible coût et polyvalente en autorisant une intégration monolithique conforme aux processus de fonderie sur puce.

Les photodiodes à avalanche silicium-germanium se distinguent des diodes classiques par leur sensibilité, c'est-à-dire qu’elles convertissent les signaux optiques en signaux électriques même pour de faibles intensités lumineuses. Elles profitent intrinsèquement d’un gain de multiplication interne, qui permet la génération de plusieurs porteurs de charges par photon absorbé, et augmente les performances du composant. Cependant de manière générale, les photo-détecteurs à avalanche présentent quelques limitations. Le champ électrique qu’il est nécessaire d’appliquer pour déclencher la multiplication des porteurs est élevé et la multiplication génère un bruit en excès qui peut dégrader le rapport signal sur bruit délivré électriquement. Par ailleurs, leur rapidité de détection est limitée en débit de transmission de données binaires ou nécessite de fortes tensions.

Dans un travail publié dans la revue Optica, des chercheurs du C2N en collaboration avec le CEA LETI et STMicroelectronics, ont rapporté une détection pour de faibles intensités (quelques dizaines de µW) dans la fenêtre des longueurs d'onde standards de télécommunications, d’un signal à 40 Gbit/s sur des photodiodes à avalanche à jonction silicium-germanium hétéro-structurée, en particulier grâce à la compacité de leur conception sur puce.

Les photodétecteurs à avalanche silicium-germanium ont été fabriqués dans les salles blanches du CEA LETI à l'aide de processus CMOS conventionnels. Pour quantifier pleinement les performances opto-électroniques, les dispositifs fabriqués ont été caractérisés au C2N dans le laboratoire en expérimentations optiques à hautes fréquences sur la Plateforme DESCARTES. Les photodétecteurs à avalanche sont essentiellement des diodes PIN hétérostructurées alimentées par des sources d'énergie inférieures à 10 V. La clé de la supériorité des performances opto-électroniques obtenues réside dans la réalisation d’une diode PIN compacte avec une zone de jonction sub-micrométrique. La diode PIN bénéficie d'un processus d'ionisation par impact fortement localisé aux interfaces hétéro-structurées silicium-germanium. La structure électrique rétrécie de la photodiode exploite les propriétés exceptionnelles à faible bruit du silicium et la multiplication d'avalanche localisée limite le bruit en excès parasite grâce à un effet "d'espace mort". Cela permet la réalisation d'un photo-détecteur avancé sur puce avec un fonctionnement simultanément à haute vitesse, à faible bruit et économe en énergie, aux longueurs d'onde des télécommunications actuellement sur le marché. En conséquence, des sensibilités de puissance de -13 dBm et -11 dBm ont été mesurées pour des débits de transmission respectivement de 32 Gbps et 40 Gbps,

Ces résultats illustrent les perspectives de la nano-photonique sur puce pour les technologies optoélectroniques des communications de données. Compatibles avec les standards de signaux de télécommunications, en particulier pour la gamme de longueurs d’onde,  les performances de ces photo-détecteurs à avalanche silicium-germanium leur confèrent un éventail prometteur d’utilisations dans les liaisons fibrées, comme dans les centres de données, les serveurs cloud et l’informatique, ou encore et non des moindres dans les interconnexions à l'échelle de la puce.

Références :
40 Gbps heterostructure germanium avalanche photo receiver on a silicon chip
Daniel Benedikovic¹, Leopold Virot², Guy Aubin¹, Jean-Michel Hartmann², Farah Amar¹, Xavier Le Roux¹, Carlos Alonso-Ramos¹, Eric Cassan¹, Delphine Marris-Morini¹, Paul Crozat¹, Frederic Boeuf³, Jean-Marc Fedeli², Christophe Kopp², Bertrand Szelag², et Laurent Vivien¹
Optica, Volume 7, Issue 7, pp. 775-783, July 2020.
DOI : https://doi.org/10.1364/OPTICA.393537

¹ Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies - C2N (CNRS/Université Paris-Saclay), Palaiseau, France
² CEA LETI / Université Grenoble Alpes
³ STMicroelectronics, Silicon Technology Development, Crolles, France

Contacts :

• Daniel Benedikovic, Post-doc au C2N dans l’équipe MINAPHOT
• Laurent Vivien, Directeur de recherche CNRS au C2N, responsable de l’équipe MINAPHOT
• Guy Aubin, Ingénieur de Recherche CNRS au C2N, responsable de la plateforme “Expérimentations RF et Optique”

 

Figure : (à gauche) Schéma tridimensionnel du photodétecteur à avalanche intégré sur puce avec des hétéro-jonctions PIN silicium-germanium. (à droite) Mesures des diagrammes de l’œil à 40 Gbit/s obtenues sur la plate-forme «Expérimentations RF et Optique » du C2N.