Intel公布突破性光電研究成果


  Intel在最新的「Nature Photonics」科學期刊上發表最近的光電研究成果,利用矽晶為基礎的雪崩光偵測器(Avalanche PhotoDetector,APD),擁有破記錄的優異表現,與現有的元件相比,採用矽晶為基礎的APD將能明顯降低成本,表現特性卻有很高的水準。利用矽晶為基礎的光電技術,其光學收發能力將能滿足未來對頻寬的需求。

  傳統的訊號傳遞大都依靠導線,例如銅線,但是到了高頻的訊號時,傳統導線就有一些限制,特性也會有所改變。在運算資料不斷提升,網路傳輸速度需求也一直向上提升,傳遞資訊的方式勢必有所改變。利用光來傳遞資訊已經不是什麼新技術,像光纖大家早已耳熟能詳,然而如何提升光電的應用領域與效能,正是許多人投入的方向。光纖通訊是以長距離應用為主,現在大家所思考是如何將它應用在短距離,傳輸資料更快的地方,如晶片與晶片之間,甚至是多核心處理器中各個核心資料的交換,取代可能會出現問題的傳統導體。

  就光電的角度來看,利用光來傳遞訊號時,簡單來說就是將電氣訊號轉換成光,另一端則是將光再轉換成電氣訊號,也就是傳輸與接收二端。這次 Intel公布的研究成果主要是放在接收端,即光偵測器(Photodector)。傳統的光偵測器是光子進入特定半導體材料時,僅會有一個電子流出,但是雪崩光偵測器就不太一樣,利用特別的材料製成下,一個光子進入時,電離化後就會流出10-100個電子,如同訊號放大器一樣,這種情況就很像雪崩,一個小動作產生後續一大片的運動一般!一個良好的雪崩光偵測器,最大的好處就是在相同的距離時,發射端可以降低所需要的功率,或是使用相同的功率,擁有更長的傳輸距離。

  雪崩光偵測器也不是新的發明,只是現有的製造材料(使用三、五價元素)與方式讓成本過高,不利於普遍應用,也不容易整合至現有半導體當中。要讓雪崩光偵測器成本更低,最好就是利用現有的矽,因為它的成本較低,再加上利用現有的CMOS製程,往大量生產的路上更進一步。Intel這次公布的研究成果,就是利用矽晶與CMOS製程所製造而成,更重要是它的效能表現可以與現有最好的產品並駕齊驅,甚至更好。

  談到光偵測器的效能,一般會以增益(Gain)與頻寬(Bandwidth)相乘做為比較重點,理論上二者的變動曲線應該是線性,但是實際上並非如此。像目前三五族的產品,其增益頻寬(GxB)大約是120GHz,但是在Intel新公布的研究成果中,則高達340GHz,而且還是採用成本較低的矽為基礎所構成,超越傳統材料的表現。

  新的技術仍然有許多的挑戰尚待克服,其中一項就是應力(Strain),現在技術是在矽中加入鍺(Ge),但是矽和鍺的晶體結構尺寸不同,鍺較矽大了4%,看起來雖不大,但是卻也會造成晶體排列的扭曲,而造成有暗電流(Dark Current)或是雜訊的產生。

  新的雪崩光偵測器技術,擁有更節能、更高頻寬、增益與更低成本的特性,除了光通訊外,未來有機會整合至新型態的數位裝置、影像感測、量子密碼及生物學等應用上。

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