THz等级光敏电晶体“击沉”硅电晶体

　　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。

　　“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。
　　

　　在美国普渡大学的光电测试台，用以测试其独特AZO材料。

　　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。