THz等級光敏電晶體“擊沉”硅電晶體

　　美國普渡大學(xué)（Purdue University）研究人員已經(jīng)證明可與互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）相容、且速度可達(dá)4THz（Terahertz）的全光敏電晶體（All-optical Transistor），可能比矽電晶體（Silicon Transistor）快上1，000倍。

　　根據(jù)普渡大學(xué)的研究，奈米光電晶體（Nano-photonic Transistor）在低溫制程下，可被制造在CMOS上方，進(jìn)而達(dá)成減少5，000倍以上切換時間—即少于300飛秒（fs），或者幾乎接近4THz的速度。

　　“在近4THz速度的限制時間是接近300飛秒，雖然切換的速度可以更快，但前提是得犧牲一些效能?！盢athaniel Kinsey表示。Nathaniel Kinsey是和普渡大學(xué)教授Alexandra Boltasseva（雙學(xué)位）與普渡大學(xué)Birck 奈米技術(shù)中心（Birck Nanotechnology Center）奈米光學(xué)科學(xué)主任Vladimir Shalaev一起進(jìn)行研究的博士生。

　　Kinsey補(bǔ)充，重要的是，電晶體會受到RC延遲時間的限制，但這樣的限制情況對全光敏電晶體來說反而是重組時間（Recombination Time）。這是完全不同的機(jī)制，后者可以使工程性能更自由，且比起電子副本（Electrical Counterpart）可達(dá)到更快的開關(guān)速度響應(yīng)。

　　透明導(dǎo)電氧化物由可和CMOS相容的光子電晶體材料所構(gòu)成，具備光學(xué)低損耗，因此可以在夠低溫的制程后段（BEOL）制造。透明導(dǎo)電氧化物的類金屬、多功能及可調(diào)諧特性，使其非常適合制造在CMOS上的光敏電晶體，然而，過去其用于輻射光子的緩慢電子孔（Electron-hole）重組時間超過100皮秒（ps），從而限制了速度及該訊號被調(diào)制的特性。普渡大學(xué)的研究人員現(xiàn)在已將時間縮短到小于1皮秒—使光敏電晶體足以“跑贏”矽。AZO薄膜制造時，伴隨著深層缺陷及超高附載流濃度，讓研究者的示范元件有40%的反射率調(diào)制電位和在低功率狀態(tài)下的低于1皮秒重組時間—每平方公尺小于毫焦耳（miliJoule）--在1.3微米的電信波長時。

　AZO電漿氧化物材料被研究人員預(yù)測，其通訊速度有能力比其他所有主流的電信波長都還要快10倍，而全光敏電晶體利用光同時為數(shù)據(jù)流和控制訊號調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)，而不是像現(xiàn)今使用電子訊號來控制和調(diào)制AZO薄膜可以被工程化以增加或減少的反射率，以在數(shù)據(jù)傳輸期間進(jìn)行1和0的編碼。研究人員的下一步是在一個簡單的應(yīng)用上制造可運(yùn)作的裝置。

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　　新的“電漿氧化物材料”可以使光通訊比傳統(tǒng)技術(shù)快10倍以上。

　　“目前，我們的計(jì)畫是將目光投向整合開關(guān)元件。我們想開發(fā)一個全光子電漿電路（All-optical Plasmonic Circuit），在這個電路，我們可以從晶片外（雷射）擷取光，并在晶片上有效的培養(yǎng)它，并使其被調(diào)制到攜帶數(shù)據(jù)上，而這將需要一個電漿波導(dǎo)和我們的全光敏電晶體?！盞insey進(jìn)一步說明，“有可能，我們甚至可以集合多個這些設(shè)備，并與多個輸入波長運(yùn)轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)更大的頻寬，就如目前用光纖所做的一樣。開發(fā)帳樣的設(shè)備將使我們可去探討元件如何在高速狀態(tài)下運(yùn)作，以及與應(yīng)力相關(guān)方面，讓我們得以真正發(fā)現(xiàn)材料的問題?！?/p>

　　由于AXO薄膜的反射率接近于零，研究人員也在尋找辦法去使用指數(shù)小于零的超材料（Metamaterial），透過電子云（Clouds of electron）也是所謂的表面電漿（Surface Plasmon），協(xié)助指向光環(huán)繞在全光晶片周圍。脈沖雷射改變AZO折射指數(shù)，當(dāng)其穿過時，可能在特性方向反而變成曲光。另外，氧化鋅鋁摻雜的量會改變 AZO材料導(dǎo)電性能，從在某些波長的絕緣體到在其他波長的導(dǎo)體，進(jìn)而調(diào)整其特性。
　　

　　在美國普渡大學(xué)的光電測試臺，用以測試其獨(dú)特AZO材料。

　　參與此項(xiàng)研究計(jì)畫的人員還有博士生Clayton DeVault和Jongbum Kim，以及來自蘇格蘭愛丁堡赫瑞瓦特大學(xué)（Heriot-Watt University）的訪問學(xué)者M(jìn)arcello Ferrera。

　　研究資金是由美國空軍辦公室科學(xué)研究（Air Force Office of Scientific Research）、居里夫人國際獎學(xué)金（Marie Curie Outgoing International Fellowship）、美國國家科學(xué)基金會（National Science Foundation）及海軍研究辦公室（Office of Naval Research）共同贊助。