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III-V族奈米線材料為新一代晶片賦予光學特性

上網時間: 2014年04月17日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:奈米線  電晶體  砷化鎵  光發射器  光偵測器 

IBM蘇黎世研究實驗室(IBM Research of Zurich)開發出一種尺寸極其微小的奈米線,具有一般標準材料所沒有的光學特性,從而為開發出基於半導體奈米線的「新一代電晶體」電路研究而舖路。

該研究實驗室與挪威科技大學(Norwegian University of Science and Technology)合作的最新發現是一種在矽基底上產生機械應變砷化鎵(GaAs)奈米線的創新技術,不僅能夠加以調整成不同的光譜色彩,同時還能從使其從光發射器切換成光偵測器。

IBM蘇黎世研究實驗室多年來持續研究如何將高電子遷移率III-V材料(砷化鎵、砷化銦與砷化銦鎵等)整合於標準矽晶互補金屬氧化物半導體(CMOS)晶片的方法。因此,該實驗室已經嘗試過許多新穎的III- V族化合物了。

「目前有幾種可在未來取代/補強矽晶電晶體的不同方案。傳統n通道電晶體特別看好III-V族材料,因為這些材料具有比矽晶更高的電遷移率,尤其是砷化銦鎵(InGaAs)三元化合物,」IBM科學家及該研究論文作者Giorgio Signorello表示。

 IBM研發出應變GaAs奈米線
IBM研發出可為未來晶片賦予光學性能的應變GaAs奈米線(橙色部份)。
(資料來源:IBM)

IBM蘇黎世研究實驗室也在探索其他的元件架構,例如嵌於InGaAs與砷化銦(InAs)合金中的穿隧場效電晶體(FET)。這種穿隧FET可實現超低功耗作業,從而有助於IBM定義新一類的奈米線CMOS。

「同樣的類型的奈米線材料也適用於實現某些下一代矽光子晶片所需的光電元件。換句話說,III-V族奈米線可實現高性能的CMOS電晶體、低功耗的穿隧TFT、矽光子,以及具有技術影響力的物理現象,」 Signorello說。

這種新的物理現象是透過拉伸以纖維鋅礦晶體生長的III-V族材料──這種纖維鋅礦晶體具有相同類型的原子結構,能夠在拉伸壓電材料時帶來特殊的性能。就像壓電材料一樣,GaAs纖維鋅礦晶體並不直接產生電力,而是在受到拉伸時具有轉換光線的能力,從而使其發光光譜可加以調整以及轉換成光偵測器。

在實際操作時,GaAs奈米線可經由動態拉伸來調整其即時的屬性,或者可一次把全部都調整成永久具有某種固定功能。

「原則上這兩種解決方案都可加以實現,但是,在我看來,最有趣的解決方案是一種人們可以不斷調整其應變力的建置方式,」Signorello說,「這種解決方案還能針對發光的顏色進行控制與持續調整,而且還可能帶來重大影響,特別是考慮到波分多工等在同一光纖中的不同色通道上傳送資料的可能性。」

IBM蘇黎世研究實驗室的研究目前已能達到200 meV的可調範圍了,但還可能再進一步加以擴展。同時,IBM先前也已經解決了如何利用外延生長方式在矽基板上安裝III-V族奈米線的問題。

Signorello強調,「我們已經證實 GaAs 與 InAs 等III-V族奈米線可直接整合於矽晶圓上了,達到了目前的產業標準。」藉由在相同矽基板上整合光發射器與光偵測器,IBM期望未來能夠降低彼此之間以光(而非電力)進行通訊的奈米光子晶片複雜度。

編譯:Susan Hong

(參考原文:IBM Nanowires Add Photonics to Silicon,by R. Colin Johnson)





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