近日消息，美過(guò)POET Technologies 預(yù)言，砷化鎵(Gallium arsenide，GaAs)很快就會(huì)取代矽，成為高性能晶片的材料選擇;而曾任職于貝爾實(shí)驗(yàn)室(Bell Labs)的該公司共同創(chuàng)辦人暨首席科學(xué)家Geoff Taylor表示，上述論點(diǎn)自1980年代就已經(jīng)被提出。

Taylor指出，相較于矽，砷化鎵能在提升電晶體性能的同時(shí)，整合光學(xué)電路的功能;這些特質(zhì)能帶來(lái)更高的性能以及創(chuàng)新的晶片架構(gòu)，并因此讓摩爾定律(Moore"s Law)壽命無(wú)限延長(zhǎng)。“數(shù)位邏輯矽晶片在4GHz就會(huì)遇到瓶頸，但我們今日已經(jīng)能制造小型的砷化鎵類(lèi)比電路，切換頻率達(dá)到100GHz，而且在不遠(yuǎn)的將來(lái)還能進(jìn)一步達(dá)到400GHz;”他在接受EETimes美國(guó)版編輯訪(fǎng)問(wèn)時(shí)表示：“只要加上POET打造的光學(xué)發(fā)射器以及探測(cè)器做為晶片上光學(xué)互連。”

在同一顆晶片上結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元以及光學(xué)元件，是設(shè)計(jì)方法上的一大改變，POET是取得了EDA供應(yīng)商Synopsys的協(xié)助，才成功設(shè)計(jì)出光電混合元件;舉例來(lái)說(shuō)，光學(xué)回路能實(shí)現(xiàn)超低抖動(dòng)振蕩器，且頻寬高于矽材料。POET也打算以多波長(zhǎng)方式，打造超精密的類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器，透過(guò)將電壓編碼為波長(zhǎng)，用更低功耗以及更少元件產(chǎn)出更高解析度以及位元率。

POET的砷化銦鎵環(huán)形振蕩器號(hào)稱(chēng)比矽振蕩器更精確且頻率更高

其他砷化鎵這類(lèi)三五族半導(dǎo)體(III-V)材料超越矽的優(yōu)勢(shì)，包括較低的操作電壓──藉由應(yīng)變量子阱(strained quantum wells)達(dá)到最低0.3V，電子遷移率12,000 cm2/ (V·s)──POET表示，如此能將三五族晶片功耗降低十倍以上。不過(guò)目前砷化鎵晶圓片比矽晶元的成本高出許多;對(duì)此Taylor表示，新一代矽晶片采用的FD-SOI制程，成本其實(shí)與砷化鎵差不多。

大多數(shù)三五族元素，包括銦(In)、鎵(Ga)、砷(As)以及磷 (phosphorous，P)，都有比矽更高的電子遷移率，但在制造上也有特定的問(wèn)題使得它們無(wú)法取代矽材料;換句話(huà)說(shuō)，缺乏數(shù)位電路的強(qiáng)化元件，以及缺乏互補(bǔ)設(shè)計(jì)的p通道電晶體。在打造能在上面同時(shí)制作出n型與p型電晶體的基板之前，POET已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)方法，能在砷化銦鎵以及砷化鎵晶圓片上長(zhǎng)出連續(xù)層(successive layer)，每一層都有一點(diǎn)銦。

p型電晶體最終可在應(yīng)變砷化銦鎵量子阱中，以大約1900 cm2/(V·s)的電洞遷移率被制作出來(lái)，而n型電晶體的遷移率更高、達(dá)8500 cm2/ (V·s);至于矽的遷移率僅1200 cm2/ (V·s)。POET期望能將n型電晶體的遷移率提升至12,000，以實(shí)現(xiàn)超高數(shù)位邏輯率的互補(bǔ)HFET。

POET技術(shù)開(kāi)發(fā)歷程

在任職于貝爾實(shí)驗(yàn)室時(shí)所開(kāi)發(fā)的三五族晶片技術(shù)專(zhuān)利過(guò)期之前數(shù)年，Taylor就轉(zhuǎn)往康乃狄克大學(xué)(University of Connecticut)工作，后來(lái)他也在那里重新開(kāi)始進(jìn)行貝爾實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)題目，不過(guò)將內(nèi)容由單個(gè)n通道的電/光混合技術(shù)，轉(zhuǎn)為雙通道電/光混合技術(shù)的開(kāi)發(fā)，期望能在未來(lái)藉由互補(bǔ)性的電/光電路，讓摩爾定律壽命無(wú)限制延長(zhǎng)。

Taylor將該技術(shù)命名為平面光電技術(shù)(Planar Opto Electronic Technology，POET)，康乃狄克大學(xué)已經(jīng)取得專(zhuān)利，是POET的獨(dú)家授權(quán)者。POET公司技術(shù)長(zhǎng)Daniel DeSimone表示：“我們的平面電子技術(shù)PET，是超越過(guò)去以類(lèi)NMOS電路架構(gòu)為基礎(chǔ)的砷化鎵技術(shù)之一大進(jìn)展，因?yàn)槲覀儞碛锌烧系钠矫媸焦鈱W(xué)與電子元件能互補(bǔ)，因此能用 CMOS制程。”

POET的電晶體通道是砷化銦鎵材料，如果將鎵去掉(也就是純塊狀砷化銦)，理論上能達(dá)到 40,000 cm2/ (V·s)的遷移率。不過(guò)POET表示，那是無(wú)法達(dá)成的、只能盡可能接近;到目前為止，該公司已經(jīng)將電晶體通道的銦成分提升至53%，并有信心可進(jìn)一步提升至80%。

POET采用的砷化鎵基板，能讓光學(xué)與電子元件排列在一起，并讓電晶體與光學(xué)互連在同一顆晶片上共存

“我們是以一種愚弄大自然的獨(dú)特變性方法，藉由改變晶格常數(shù)(lattice constant)來(lái)達(dá)成上述結(jié)果;”Tylor表示：“首先，我們以砷化鎵為基底，在其上堆疊一層又一層1微米(micron)厚的砷化銦鎵應(yīng)變層，直到產(chǎn)生與磷化銦(InP)晶格常數(shù)相對(duì)應(yīng)的天然量子阱。以上的成分控制室是以分子束磊晶(Molecular-beam epitaxy，MBE)技術(shù)來(lái)進(jìn)行。”

POET已經(jīng)與一家第三方晶圓代工業(yè)者簽署合作協(xié)議，預(yù)計(jì)在今年稍晚以0.1微米制程實(shí)際驗(yàn)證其技術(shù)，并在2015年邁向40奈米制程節(jié)點(diǎn);這聽(tīng)起來(lái)似乎落后已經(jīng)來(lái)到20奈米節(jié)點(diǎn)、甚至14奈米節(jié)點(diǎn)的矽技術(shù)許多，不過(guò)POET強(qiáng)調(diào)這種比較是不公平的，其40奈米制程元件的性能應(yīng)該要與14奈米或10奈米矽晶片來(lái)比較。

DeSimone表示：“我們的40奈米砷化鎵元件在速度上領(lǐng)先矽晶片三個(gè)制程世代，在功耗上則領(lǐng)先四個(gè)世代，而整合密度是差不多的;因此40奈米制程的砷化鎵元件，應(yīng)該要在速度上與14奈米矽晶片比較，在功耗上則是與10奈米矽晶片比較。”