Ⅲ～Ⅴ族納米線材料為新一代芯片賦予光學(xué)特性

IBM蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室(IBM Research of Zurich)開發(fā)出一種尺寸極其微小的納米線，具有一般標(biāo)準(zhǔn)材料所沒有的光學(xué)特性，從而為開發(fā)出基于半導(dǎo)體納米線的“新一代晶體管”電路研究而奠定基礎(chǔ)。

該研究實(shí)驗(yàn)室與挪威科技大學(xué)(Norwegian University of Science and Technology)合作的最新發(fā)現(xiàn)是一種在硅基底上產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變砷化鎵(GaAs)納米線的創(chuàng)新技術(shù)，不僅能夠加以調(diào)整成不同的光譜色彩，同時(shí)還能從使其從光發(fā)射器切換成光探測器。

IBM蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室多年來持續(xù)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)整合于標(biāo)準(zhǔn)硅晶互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)芯片的方法。因此，該實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)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/改善硅晶晶體管的不同方案。傳統(tǒng)n通道晶體管特別看好Ⅲ～Ⅴ族材料，因?yàn)檫@些材料具有比硅晶更高的電遷移率，尤其是砷化銦鎵(InGaAs)三元化合物，”IBM科學(xué)家及該研究論文作者 Giorgio Signorello表示。

IBM蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室也在探索其它的器件架構(gòu)，例如嵌于InGaAs與砷化銦(InAs)合金中的穿隧場效晶體管(FET)。這種穿隧FET可實(shí)現(xiàn)超低功耗作業(yè)，從而有助于IBM定義新一類的納米線CMOS。

“同樣類型的納米線材料也適用于實(shí)現(xiàn)某些下一代硅光子芯片所需的光電器件。換句話說，Ⅳ～Ⅴ族納米線可實(shí)現(xiàn)高性能的CMOS晶體管、低功耗的穿隧TFT、硅光子，以及具有技術(shù)影響力的物理現(xiàn)象，”Signorello說。

這種新的物理現(xiàn)象是透過拉伸以纖鋅礦晶體生長的Ⅲ～Ⅴ族材料—這種纖鋅礦晶體具有相同類型的原子結(jié)構(gòu)，能夠在拉伸壓電材料時(shí)帶來特殊的性能。就像壓電材料一樣，GaAs纖鋅礦晶體并不直接產(chǎn)生電力，而是在受到拉伸時(shí)具有轉(zhuǎn)換光的能力，從而使其發(fā)光光譜可加以調(diào)整以及轉(zhuǎn)換成光探測器。

在實(shí)際操作時(shí)，GaAs納米線可經(jīng)由動(dòng)態(tài)拉伸來調(diào)整其實(shí)時(shí)的屬性，或者可一次把全部都調(diào)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(shí)現(xiàn)，但是，在我看來，最有趣的解決方案是一種人們可以不斷調(diào)整其應(yīng)變力的建置方式，”Signorello說，“這種解決方案還能針對(duì)發(fā)光的顏色進(jìn)行控制與持續(xù)調(diào)整，而且還可能帶來重大影響，特別是考慮到波分復(fù)用等在同一光纖中的不同色信道上傳送數(shù)據(jù)的可能性?！盜BM蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室目前已能達(dá)到200 meV的可調(diào)范圍，但還可能再進(jìn)一步加以擴(kuò)展。同時(shí)，IBM先前也已經(jīng)解決了如何利用外延生長方式在硅基板上安裝Ⅲ～Ⅴ族納米線的問題。

Signorello強(qiáng)調(diào)，“我們已經(jīng)證實(shí) GaAs與 InAs等Ⅲ～Ⅴ族納米線可直接整合于硅晶圓上了，達(dá)到了目前的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?！蓖ㄟ^在相同硅基板上整合光發(fā)射器與光探測器，IBM期望未來能夠降低彼此之間以光(而非電力)進(jìn)行通訊的納米光子芯片復(fù)雜度。