Ⅲ～Ⅴ族纳米线材料为新一代芯片赋予光学特性

IBM苏黎世研究实验室(IBM Research of Zurich)开发出一种尺寸极其微小的纳米线，具有一般标准材料所没有的光学特性，从而为开发出基于半导体纳米线的“新一代晶体管”电路研究而奠定基础。

该研究实验室与挪威科技大学(Norwegian University of Science and Technology)合作的最新发现是一种在硅基底上产生机械应变砷化镓(GaAs)纳米线的创新技术，不仅能够加以调整成不同的光谱色彩，同时还能从使其从光发射器切换成光探测器。

IBM苏黎世研究实验室多年来持续研究如何将高电子迁移率Ⅲ～Ⅴ材料(砷化镓、砷化铟与砷化铟镓等)整合于标准硅晶互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片的方法。因此，该实验室已经尝试过许多新颖的Ⅲ～Ⅴ族化合物了。

“目前有几种可在未来取代/改善硅晶晶体管的不同方案。传统n通道晶体管特别看好Ⅲ～Ⅴ族材料，因为这些材料具有比硅晶更高的电迁移率，尤其是砷化铟镓(InGaAs)三元化合物，”IBM科学家及该研究论文作者 Giorgio Signorello表示。

IBM苏黎世研究实验室也在探索其它的器件架构，例如嵌于InGaAs与砷化铟(InAs)合金中的穿隧场效晶体管(FET)。这种穿隧FET可实现超低功耗作业，从而有助于IBM定义新一类的纳米线CMOS。

“同样类型的纳米线材料也适用于实现某些下一代硅光子芯片所需的光电器件。换句话说，Ⅳ～Ⅴ族纳米线可实现高性能的CMOS晶体管、低功耗的穿隧TFT、硅光子，以及具有技术影响力的物理现象，”Signorello说。

这种新的物理现象是透过拉伸以纤锌矿晶体生长的Ⅲ～Ⅴ族材料—这种纤锌矿晶体具有相同类型的原子结构，能够在拉伸压电材料时带来特殊的性能。就像压电材料一样，GaAs纤锌矿晶体并不直接产生电力，而是在受到拉伸时具有转换光的能力，从而使其发光光谱可加以调整以及转换成光探测器。

在实际操作时，GaAs纳米线可经由动态拉伸来调整其实时的属性，或者可一次把全部都调整成永久具有某种固定功能。

“原则上这两种解决方案都可加以实现，但是，在我看来，最有趣的解决方案是一种人们可以不断调整其应变力的建置方式，”Signorello说，“这种解决方案还能针对发光的颜色进行控制与持续调整，而且还可能带来重大影响，特别是考虑到波分复用等在同一光纤中的不同色信道上传送数据的可能性。”IBM苏黎世研究实验室目前已能达到200 meV的可调范围，但还可能再进一步加以扩展。同时，IBM先前也已经解决了如何利用外延生长方式在硅基板上安装Ⅲ～Ⅴ族纳米线的问题。

Signorello强调，“我们已经证实 GaAs与 InAs等Ⅲ～Ⅴ族纳米线可直接整合于硅晶圆上了，达到了目前的产业标准。”通过在相同硅基板上整合光发射器与光探测器，IBM期望未来能够降低彼此之间以光(而非电力)进行通讯的纳米光子芯片复杂度。