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金屬-絕緣體電子技術可望取代半導體?

上網時間: 2007年10月09日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:金屬-絕緣體  THz  穿隧效應 

超高速電子正迅速地填補著介於最高僅數百GHz半導體,以及可高達數百THz的光學頻率之間的‘THz間隙’。眾所週知,頻率達到THz時的波長通常以毫米為單位,而由Phiar公司所發明的新型金屬-絕緣體電子技術,顯示出其頻率已高達3.8THz,可望成為填補‘THz間隙’的新技術。

Phiar聲稱該公司在業界擁有多家技術開發合作夥伴,使其技術得以克服許多應用中的障礙,包括60GHz天線邊緣頻率轉換、平行快閃固態儲存硬碟、單晶片毫米波雷達、用於安全領域的‘X光透視’系統和晶片間RF互連的整合式THz檢測器陣列。

“我們的技術將成為自真空管推出以來第一種可行的半導體替代技術。”Phiar公司業務開發總監Adam Rentschler宣稱。

近日,Phiar和摩托羅拉實驗室(Motorola Labs)共同完成了一項以Phiar的金屬-絕緣體二極體為基礎的60GHz天線開發工作,這種天線能實現數Gb的無線射頻,並用以傳送多通道的未經壓縮高解析視訊訊號。該元件符合最新的60GHz無線標準IEEE 802.15 TG3c。一直以來,速度能夠滿足60GHz天線要求且具有性價比的元件,只有昂貴的分離式砷化鎵二極體。但隨著Phiar公司推出不用半導體的金屬-絕緣體二極體後,摩托羅拉公司已經成功地開發出60GHz的無線電設備和天線原型。

“摩托羅拉在數年前就成功展示了頻率很高的數Gb傳送器和接收器,目前正對元件的尺寸、性能和總體成本進行改進。”摩托羅拉毫米波RF技術經理Rudy Emrick透露道。

採用Phiar公司的技術後,60GHz的無線訊號可透過較不昂貴的類比金屬-絕緣體電路而下降為2~3GHz訊號,因而在消費設備之間實現高解析視訊的無線傳送。Phiar技術還能實現低價的THz雷達和成像設備,例如能夠準確穿透衣物以辨識是否藏匿武器的機場安全系統。

Phiar公司還宣稱已與一家未透露名字的‘美國主要快閃記憶體製造商’簽署了一份合約,計劃使用金屬-絕緣體技術以實現用於固態硬碟的平行快閃記憶體,據稱能達到NOR的速度與NAND的密度。

除了60GHz二極體以外,Phiar公司也展示了可搭配的檢測器和AM接收器,以及60GHz混頻器、調變器和變容二極體的概念原型、500GHz二極體與THz檢測器。該公司並預期將在今年展示THz電晶體原型。“透過將高密度NAND記憶體(通常是串列設備)配置成像NOR記憶體般的隨機存取裝置,金屬-絕緣體電晶體可實現固態硬碟,並具備實現隨機存取固態硬碟的潛力。”Lux Research公司資深分析師Vahe Mamikunian表示。

淘汰半導體

金屬-絕緣體電子技術採用第二層絕緣體和金屬,取代了金屬氧化物半導體(MOS)元件中的半導體,因而形成‘金屬-絕緣體-絕緣體-金屬’的四層堆疊架構。使得該技術順利運作的主要原因在於:兩種金屬及其絕緣體經過仔細裁剪後,在只允許高能量穿隧效應的絕緣體間有效地形成了一個量子阱。因此,當施加於頂部金屬的電壓超過其閾值時,彈道傳送機制產生作用,因而加速穿隧電子通過間隙。

“我們促進了通過氧化層的量子穿隧效應,而氧化層厚度總共也才60埃(0.6nm)左右。”Phiar公司總裁兼執行長Bob Goodman說道,“由於量子穿隧是一種傳送機制,它發生的速度比半導體領域中的任何事物都快,在我們的元件中是飛秒(10-(SUB/)15(/SUB))數量級,這將打破半導體的物理定律。”

因此,金屬-絕緣體元件的最高頻率已達3.8THz,而半導體由於不可避免地會降低電子流動速率,因此目前CMOS半導體的最高速度只能達到60GHz,SiGe半導體也只有400GHz。

金屬-絕緣體技術據稱在製造方面比高速晶片技術更容易,因為它採用的是與CMOS晶圓廠相同的成熟製程步驟,而且元件幾乎可以在所有基板上製造──即使是在消費性元件的塑料外殼內面上也一樣行得通。

作者:羅克鈴




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