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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(太赫茲)的全光敏晶體管(All-optical Transistor)，可能比硅晶體管快上1,000倍。 根據(jù)普渡大學(xué)的研究，納米光光晶體管在低溫制程下，可被制造在CMOS上方，進(jìn)而達(dá)成減少5,000倍以上切換時(shí)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(shí)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。”Nathaniel 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 納米技術(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，電晶體管會(huì)受到RC延遲時(shí)間的限制，但這樣的限制情況對(duì)全光晶體管來說反而是重組時(shí)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相容的光子晶體管材料所構(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上的光敏晶體管，然而，過去其用于輻射光子的緩慢電子孔(Electron-hole)重組時(shí)間超過100皮秒(ps)，從而限制了速度及該信號(hào)被調(diào)制的特性。普渡大學(xué)的研究人員現(xiàn)在已將時(shí)間縮短到小于1皮秒—使光敏晶體管足以“跑贏”硅。AZO薄膜制造時(shí)，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(shí)間—每平方公尺小于毫焦耳(miliJoule)--在1.3微米的電信波長時(shí)。 AZO電漿氧化物材料被研究人員預(yù)測，其通信速度有能力比其他所有主流的電信波長都還要快10倍，而全光晶體管利用光同時(shí)為數(shù)據(jù)流和控制信號(hào)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)，而不是像現(xiàn)今使用電子信號(hào)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(gè)簡單的應(yīng)用上制造可運(yùn)作的裝置。 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。 
（圖片來源：普渡大學(xué)，2015/15） “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(gè)全光子電漿電路(All-optical Plasmonic Circuit)，在這個(gè)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(gè)電漿波導(dǎo)和我們的全光敏電晶體。”Kinsey進(jìn)一步說明，“有可能，我們甚至可以集合多個(gè)這些設(shè)備，并與多個(gè)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。” 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(shí)，可能在特性方向反而變成曲光。另外，氧化鋅鋁摻雜的量會(huì)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。 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(jiǎng)學(xué)金(Marie Curie Outgoing International Fellowship)、美國國家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation)及海軍研究辦公室(Office of Naval Research)共同贊助 來源: eettaiwan |
