アバランシェモードLEDがCMOS ICの光結合改善

シリコンフォトニクスの世界では､研究者はコンパクトなモノリシックプラットフォームの開発を目標にしている｡これは､光源とフォトディテクタを集積して､光の速度で電気−光−電気の変換を行うプラットフォームである｡ほかの光電子ICと同様､目標は効率的な高速ルーティングとチップのON/OFF信号処理である｡同じことは相補型金属酸化膜半導体（CMOS）プラットフォームでも言えるが､光インタコネクトあるいはオプトカプラ技術は､これまでは､相対的に低速（kHz）動作のバルク赤外（IR）光源に限られていた｡
　CMOS ICにおけるオプトカプリングを前進させるために蘭トゥウェンテ大（University of Twente）の博士課程学生､サターダル･ドゥッタ氏（Satadal Dutta）は､可視光を生成するために｢アバランシェブレイクダウン｣モードにバイアスされたシリコン発光ダイオード（LED）を提案した｡可視光は､高い量子効率プロセスで標準シリコンフォトダイオードにより簡単に検出されるからである（1）｡加えて､同氏と博士課程学生ヴィシャル･アガーワル氏（Vishal Agarwal）は､アバランシェモードLED､導波路､シングルフォトンアバランシェダイオード（SPAD）ディテクタを使ってCMOS ICをモデル化し､設計した｡SPADディテクタは、理論的には､ギガヘルツ速度で動作し､シ
ングルフォトン検出感度がある｡本質的に、オールシリコンプラットフォームは､ハイブリッド材料系によってもたらされる障害の多くを回避する｡

オールシリコン発光と検出

現在の光インタコネクト技術は､ガリウム砒素（GaAs）LEDとシリコンフォトトランジスタの利用を含んでおり、優れた5kVガルバニック絶縁を実現しているが､遅延が大きい（2μs程度）｡III­V半導体材料あるいは有機材料を使用するバリエーションは､3kV絶縁を達成できるが､報告されている最大速度は70kHzにすぎない（2）｡
　シリコンインタコネクトの問題は常に､シリコンベースの光源の1.12eV間接バンドギャップが波長1100nm付近で発光することである｡これはIR発光であり､本質的にシリコンベースのフォトディテクタに適合していない｡
　量子効率改善に向けて光源の発光とフォトディテクタのオーバーラップを改善するために､ドゥッタ氏は､シリコンベースの光源の発光波長を短波長化する方法に焦点をあてた。すなわち、Si LEDをアバランシェブレークダウンモードで動作させ､発光を900nm以下に変換することで光検出を改善し､これにより量子効率を改善する（図1）。10­9程度の結合効率が達成された｡同氏は､6V付近のブレイクダウン電圧をもつシリコンダイオードが最高の光出力効率であることを示した（3）｡

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出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2018/03/wn1_CMOS.pdf