研究人员开发出用于云计算的高速、低功耗硅锗芯片

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研究人员开发出用于云计算的高速、低功耗硅锗芯片

 


纳米科学与纳米技术中心的研究人员与CEA LETI和意法半导体公司合作,展示了一种高能效的高速硅锗雪崩光电接收器。该器件完全兼容无障碍半导体技术和以电信波段标准运行的光纤链路。

由于硅纳米光子技术成本低、产量高、集成能力强,可以满足数据中心、高性能计算机和云服务中成倍增长的通信需求。为此,由于利用硅晶圆工艺成熟的优势,目前大量的纳米光子功能已经可以在单芯片上实现。从集成纳米光子学的早期开始,光学光探测器就一直处于研究前沿。迄今为止,大多数光检测器利用III-V和IV族材料类的晶体半导体来构建光接收器,因为这些材料被微电子工业广泛利用。

III-V族化合物(即砷化镓铟[InGaAs]和磷化镓铟[InGaAsP])提供了最成熟的直接带隙材料体系,具有完善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、CMOS(互补金属氧化物半导体)代工厂外的昂贵制造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族材料)制成的光电探测器目前是一种成熟的替代方案,它利用低成本和生产通用性,将符合代工要求的单片集成在单个芯片上。

硅锗基半导体雪崩光电二极管可将信号从光域转化为电域,实现低光功率,比普通的金属-半导体-金属和PIN二极管更具有高灵敏度。雪崩光电二极管对于先进的高能效和高速应用来说是最有吸引力的,因为它利用了内部的倍增增益,使每个吸收的光子能产生多个光载流子,从而从本质上提升了器件的性能。尽管如此,硅锗雪崩光电探测器也有其自身的缺点。需要强电场来启动载流子的倍增,这也会发出多余的噪声。雪崩器件还面临着在较高电压电源下工作的挑战,并且/或者它们只能检测到低到中等的比特率。

在发表在《Optica》上的一项工作中,纳米科学与纳米技术中心-C2N(CNRS/巴黎萨克雷大学)的研究人员与CEA LETI和意法半导体合作,在主流电信波长下实现了40 Gbps的片上信号检测。这得益于实现了具有成本效益和CMOS兼容的雪崩光电二极管与异质结构的硅锗结。

硅锗雪崩光电二极管是在CEA LETI的洁净室设施中使用单片集成的开放式光子平台和传统的CMOS工具加工而成的。为了充分量化光电性能,借助实验室在光学高频实验方面的技能,在C2N对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结构PIN二极管,用低于10V的偏置电压驱动。其优越的光电性能的关键是具有亚μm结面积的紧凑型PIN二极管。PIN 二极管得益于在异质结构的硅锗界面上发生的强烈局部冲击电离过程。

光电二极管的小型化电气结构利用了硅的特殊低噪声特性,局部雪崩倍增有助于抑制寄生的过量噪声,这要归功于死区效应。反过来,这又能实现先进的片上光子接收器,在商业电信波长下同时实现高速、低噪声和节能的操作。结果,在传输比特率32 Gbps和40 Gbps的情况下,分别测得可信的功率灵敏度为-13 dBm和-11 dBm。

这些结果为芯片级纳米光子学在现代光电和通信领域带来了机遇。因此,光接收器在数据传输系统中也有应用,包括数据中心、云计算和高计算服务器,或芯片级互连等等。

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