Искусственный интеллект и большие языковые модели быстро увеличивают трафик данных между процессорами, памятью и сетевым оборудованием. Кремниевая фотоника может передавать информацию с помощью света, но ее германиевые фотодетекторы должны обеспечивать баланс между пропускной способностью, эффективностью преобразования оптического сигнала в электрический, низким темновым током и совместимостью с крупномасштабным производством КМОП-микросхем.
Ученые из Фуданьского университета и Национальной лаборатории Чжанцзян разработали германиевый фотодетектор на 300-миллиметровой кремниевой фотонной платформе КМОП, который отвечает этим противоречивым требованиям. Устройство обеспечивает соотношение пропускной способности и эффективности в 104,8 ГГц, сочетая полосу пропускания 3 дБ в 110 ГГц с пиковой квантовой эффективностью 95,3 %. Он также достиг чувствительности 1,01 А / Вт при длине волны 1310 нм при сохранении темновых токов ниже 10 нА.
В Ge PD используется полувстроенная германиевая структура для усиления электрического поля, сокращения расстояния прохождения носителей заряда и уменьшения емкости перехода. Профиль легирования с тройным градиентом снижает контактное сопротивление, сохраняя при этом обедненную область, восьмиугольные контактные площадки подавляют паразитную емкость, а боковой p-i-n-переход ограничивает потери на поглощение металла. В совокупности эти характеристики повышают скорость работы без ущерба для чувствительности.
Измерения на уровне пластины показали стабильную производительность: в большинстве из 67 исследованных решеток темновой ток составлял 5-8 нА при напряжении -2 В, в отдельных участках чувствительность превышала 0,97 А/Вт, а в девяти кристаллах была достигнута полоса пропускания 110 ГГц при напряжении -3 В. При тестировании больших сигналов исследователи получили диаграммы с четко различимыми пиками при скорости 320 Гбит/с с PAM-4 и 413 Гбит/с с PAM-6. Фильтрация в реальном времени и коррекция с прямой связью использовались только для компенсации потерь в измерительном канале.
Устройство также сохраняло полосу пропускания около 104 ГГц при напряжении -2 В и 80 ГГц при напряжении -1 В. Его чувствительность оставалась близкой к 1,0 А/Вт в диапазоне температур от 25 до 85 градусов Цельсия, а открытые диаграммы PAM-4 со скоростью 224 Гбит/с сохранялись при температуре до 85 градусов Цельсия. Благодаря сочетанию этих результатов с прямой эпитаксией германия и оптимизированным процессом, мы получили масштабируемый фотодетектор, который может стать основой для будущих однополосных оптических межсоединений со скоростью 400 Гбит/с в системах искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислительных системах.