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研究人员开发用于云计算的高速,低功耗硅锗芯片

信息来源:星火计划 发布时间:【2020-08-17 】 点击次数:
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(STMicroelectronics)合作,展示了一种高效节能的高速硅锗雪崩光电接收器。该设备与可访问的半导体技术和以电信波段标准运行的光纤链路完全兼容。
图:(左)具有硅锗PIN异质结的芯片集成雪崩光电探测器的三维示意图。(右)在C2N“ RF和光学实验”平台上获得的那些光电二极管的40 Gbps眼图孔径。信用:C2N
由于其低成本,高产量和高集成度,硅纳米光子技术可满足数据中心,高性能计算机和云服务中指数级增长的通信需求。为此,由于利用了硅铸造工艺的成熟性,现在可以在单个芯片上使用大量的纳米光子功能。自从集成纳米光子学问世以来,光学光电探测器就一直是研究热点。迄今为止,由于微电子工业广泛使用了这些材料,因此大多数光电探测器都使用III-V和IV组材料类别的晶体半导体来构建光接收器。
 
III-V化合物(即砷化铟镓[InGaAs]和磷化砷化铟镓 [InGaAsP])提供了最成熟的直接带隙材料系统,其光电探测器设计精良,制造流程精良。然而,III-V检测器面临着严峻的挑战,例如过高的电源电压,在CMOS(互补金属氧化物半导体)代工厂之外制造成本高昂或与其他光子平台的复杂混合/异质集成。相比之下,由硅和锗(IV组材料)制成的光电探测器目前是成熟的替代产品,它利用低成本和生产多功能性以及在单个芯片上符合代工要求的单片集成技术。
 
硅锗基半导体雪崩将光电信号从光域转换到电域以降低光功率的光电二极管比普通的金属-半导体-金属和PIN二极管更加灵敏。雪崩光电二极管对先进的高能效和高速应用最有吸引力,因为它们利用内部倍增增益,从而使每个吸收的光子能够产生多个光载流子,从而本质上提高了器件性能。然而,硅锗雪崩光电探测器有其自身的缺点。需要强大的电场来启动载波的倍增,这也会产生过多的噪声。雪崩装置还受到在较高电压电源下的操作的挑战,并且/或者它们仅检测低到中等的比特率。
 
 
 
在Optica上发表的一篇论文中,C2N(CNRS / Univ。Paris-Saclay)纳米科学与纳米技术中心的研究人员与CEA LETI和STMicroelectronics合作,已经在主流电信波长下实现了40 Gbps的片上信号检测。这要归功于具有异质结构的硅锗结的经济高效且兼容CMOS的雪崩光电二极管的实现。
 
硅锗雪崩光电探测器在CEA LETI的洁净室设施中使用开放式光子平台进行单片集成和常规CMOS工具进行处理。为了充分量化光电性能,借助光学高频实验中的实验室技能,在C2N上对装配好的器件进行了表征。雪崩光电检测器本质上是简单的异质结构PIN二极管,由低于10V的偏置电压驱动。其卓越的光电性能的关键推动因素是结面积小于µm的紧凑型PIN二极管。PIN二极管得益于在异质结构的硅锗界面发生的强烈局部碰撞电离过程。
 
光电二极管的微型电气结构利用了硅的出色的低噪声特性,并且由于死区效应,局部雪崩倍增有助于抑制寄生的过量噪声。继而,这使得能够实现先进的片上光子接收器,同时在商业电信波长下实现高速,低噪声和节能操作。结果,对于32 Gbps和40 Gbps的传输比特率,分别测量了-13 dBm和-11 dBm的可靠功率灵敏度。
 
这些结果为现代光电和通信领域的芯片级纳米光子学提供了机会。因此,光接收器在数据传输系统中具有应用,包括数据中心,云计算和高计算服务器或芯片级互连,仅举几例。
 
 
 

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