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THz等级光敏电晶体速度可达硅电晶体千倍

时间:2018-08-19 18:16来源:网络整理 作者:采集侠 点击:
美国普渡大学(PurdueUniversity)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4T……来源:eett
【中国电子网】讯

  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。

  

 

  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。

  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

(责任编辑:admin)
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