THz等级光敏电晶体“击沉”硅电晶体

jackzhang

美国普渡大学(Purdue University)研究人员已经证明可与互补式金属氧化物半导体(CMOS)相容、且速度可达4THz(Terahertz)的全光敏电晶体(All-optical Transistor)，可能比矽电晶体(Silicon Transistor)快上1,000倍。
根据普渡大学的研究，奈米光电晶体(Nano-photonic Transistor)在低温制程下，可被制造在CMOS上方，进而达成减少5,000倍以上切换时间—即少于300飞秒(fs)，或者几乎接近4THz的速度。

“在近4THz速度的限制时间是接近300飞秒，虽然切换的速度可以更快，但前提是得牺牲一些效能。”Nathaniel Kinsey表示。Nathaniel Kinsey是和普渡大学教授Alexandra Boltasseva(双学位)与普渡大学Birck 奈米技术中心(Birck Nanotechnology Center)奈米光学科学主任Vladimir Shalaev一起进行研究的博士生。

Kinsey补充，重要的是，电晶体会受到RC延迟时间的限制，但这样的限制情况对全光敏电晶体来说反而是重组时间(Recombination Time)。这是完全不同的机制，后者可以使工程性能更自由，且比起电子副本(Electrical Counterpart)可达到更快的开关速度响应。

透明导电氧化物由可和CMOS相容的光子电晶体材料所构成，具备光学低损耗，因此可以在够低温的制程后段(BEOL)制造。透明导电氧化物的类金属、多功能及可调谐特性，使其非常适合制造在CMOS上的光敏电晶体，然而，过去其用于辐射光子的缓慢电子孔(Electron-hole)重组时间超过100皮秒(ps)，从而限制了速度及该讯号被调制的特性。普渡大学的研究人员现在已将时间缩短到小于1皮秒—使光敏电晶体足以“跑赢”矽。AZO薄膜制造时，伴随着深层缺陷及超高附载流浓度，让研究者的示范元件有40%的反射率调制电位和在低功率状态下的低于1皮秒重组时间—每平方公尺小于毫焦耳(miliJoule)--在1.3微米的电信波长时。

AZO电浆氧化物材料被研究人员预测，其通讯速度有能力比其他所有主流的电信波长都还要快10倍，而全光敏电晶体利用光同时为数据流和控制讯号调节数据，而不是像现今使用电子讯号来控制和调制。AZO薄膜可以被工程化以增加或减少的反射率，以在数据传输期间进行1和0的编码。研究人员的下一步是在一个简单的应用上制造可运作的装置。

                               
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新的“电浆氧化物材料”可以使光通讯比传统技术快10倍以上。
（图片来源：普渡大学，2015/15）

“目前，我们的计画是将目光投向整合开关元件。我们想开发一个全光子电浆电路(All-optical Plasmonic Circuit)，在这个电路，我们可以从晶片外(雷射)撷取光，并在晶片上有效的培养它，并使其被调制到携带数据上，而这将需要一个电浆波导和我们的全光敏电晶体。”Kinsey进一步说明，“有可能，我们甚至可以集合多个这些设备，并与多个输入波长运转，以实现更大的频宽，就如目前用光纤所做的一样。开发帐样的设备将使我们可去探讨元件如何在高速状态下运作，以及与应力相关方面，让我们得以真正发现材料的问题。”

由于AXO薄膜的反射率接近于零，研究人员也在寻找办法去使用指数小于零的超材料(Metamaterial)，透过电子云(Clouds of electron)也是所谓的表面电浆(Surface Plasmon)，协助指向光环绕在全光晶片周围。脉冲雷射改变AZO折射指数，当其穿过时，可能在特性方向反而变成曲光。另外，氧化锌铝掺杂的量会改变AZO材料导电性能，从在某些波长的绝缘体到在其他波长的导体，进而调整其特性。

                               
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在美国普渡大学的光电测试台，用以测试其独特AZO材料。
（图片来源：普渡大学，2015/15）

参与此项研究计画的人员还有博士生Clayton DeVault和Jongbum Kim，以及来自苏格兰爱丁堡赫瑞瓦特大学(Heriot-Watt University)的访问学者Marcello Ferrera。

研究资金是由美国空军办公室科学研究(Air Force Office of Scientific Research)、居里夫人国际奖学金(Marie Curie Outgoing International Fellowship)、美国国家科学基金会(National Science Foundation)及海军研究办公室(Office of Naval Research)共同赞助。

                               
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