Intel公布突破性光電研究成果

jckuan · 發表於 2008-12-10 00:23:14

　　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。

傳統光偵測器工作示意圖
　　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。

雪崩光偵測器工作示意圖
　　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。

矽與鍺加在一起的情況
　　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。

新技術的增益頻寬達到340GHz
　　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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