美國普渡大學(Purdue
University)研究人員已經證明可與互補式金屬氧化物
半導體(CMOS)相容、且速度可達4THz(Terahertz)的全光敏電晶體
(All-optical Transistor)，可能比矽電晶體(Silicon Transistor)快上1,000倍。
根據普渡大學的研究，奈米光電晶體(Nano-photonic Transistor)在低溫制程下，可被制造在CMOS上方，進而達成減少5,000倍以上切換時間—即少于300飛秒(fs)，或者幾乎接近4THz的速度。
“在
近4THz速度的限制時間是接近300飛秒，雖然切換的速度可以更快，但前提是得犧牲一些效能?！盢athaniel
Kinsey表示。Nathaniel Kinsey是和普渡大學教授Alexandra Boltasseva(雙學位)與普渡大學Birck
奈米技術中心(Birck Nanotechnology Center)奈米光學科學主任Vladimir Shalaev一起進行研究的博士生。
Kinsey
補充，重要的是，電晶體會受到RC延遲時間的限制，但這樣的限制情況對全光敏電晶體來說反而是重組時間(Recombination
Time)。這是完全不同的機制，后者可以使工程性能更自由，且比起電子副本(Electrical
Counterpart)可達到更快的開關速度響應。
透明導電氧化物由可和CMOS相容的光子電晶體材料所構成，具備光學低損耗，因此可
以在夠低溫的制程后段(BEOL)制造。透明導電氧化物的類金屬、多功能及可調諧特性，使其非常適合制造在CMOS上的光敏電晶體，然而，過去其用于輻射
光子的緩慢電子孔(Electron-hole)重組時間超過100皮秒(ps)，從而限制了速度及該訊號被調制的特性。普渡大學的研究人員現在已將時間
縮短到小于1皮秒—使光敏電晶體足以“跑贏”矽。AZO薄膜制造時，伴隨著深層缺陷及超高附載流濃度，讓研究者的示范元件有40%的反射率調制電位和在低
功率狀態下的低于1皮秒重組時間—每平方公尺小于毫焦耳(miliJoule)--在1.3微米的電信波長時。
AZO電漿氧化物材料被研
究人員預測，其通訊速度有能力比其他所有主流的電信波長都還要快10倍，而全光敏電晶體利用光同時為數據流和控制訊號調節數據，而不是像現今使用電子訊號
來控制和調制。AZO薄膜可以被工程化以增加或減少的反射率，以在數據傳輸期間進行1和0的編碼。研究人員的下一步是在一個簡單的應用上制造可運作的裝
置。
新的“電漿氧化物材料”可以使光通訊比傳統技術快10倍以上。
（圖片來源：普渡大學，2015/15）
“目
前，我們的計畫是將目光投向整合開關元件。我們想開發一個全光子電漿電路(All-optical Plasmonic
Circuit)，在這個電路，我們可以從晶片外(雷射)擷取光，并在晶片上有效的培養它，并使其被調制到攜帶數據上，而這將需要一個電漿波導和我們的全
光敏電晶體。”Kinsey進一步說明，“有可能，我們甚至可以集合多個這些設備，并與多個輸入波長運轉，以實現更大的頻寬，就如目前用光纖所做的一樣。
開發帳樣的設備將使我們可去探討元件如何在高速狀態下運作，以及與應力相關方面，讓我們得以真正發現材料的問題。”
由于AXO薄膜的反射
率接近于零，研究人員也在尋找辦法去使用指數小于零的超材料(Metamaterial)，透過電子云(Clouds of
electron)也是所謂的表面電漿(Surface
Plasmon)，協助指向光環繞在全光晶片周圍。脈沖雷射改變AZO折射指數，當其穿過時，可能在特性方向反而變成曲光。另外，氧化鋅鋁摻雜的量會改變
AZO材料導電性能，從在某些波長的絕緣體到在其他波長的導體，進而調整其特性。
在美國普渡大學的光電
測試臺，用以
測試其獨特AZO材料。
（圖片來源：普渡大學，2015/15）
參與此項研究計畫的人員還有博士生Clayton DeVault和Jongbum Kim，以及來自蘇格蘭愛丁堡赫瑞瓦特大學(Heriot-Watt University)的訪問學者Marcello Ferrera。
研
究資金是由美國空軍辦公室科學研究(Air Force Office of Scientific
Research)、居里夫人國際獎學金(Marie Curie Outgoing International
Fellowship)、美國國家科學基金會(National Science Foundation)及海軍研究辦公室(Office of
Naval Research)共同贊助。
