Original publish date:Nov 14, 2003
編輯 Agape 報導
美國伊利諾大學香檳分校的研究人員﹐使用磷化銦與砷化銦鎵﹐製造出頻率達509 GHz﹑速度打破世界紀錄的BJT電晶體。
自從去年起﹐伊利諾大學香檳分校(UIUC) 就不斷地傳出高速BJT(bipolar junction transistor) 的頻率刷新世界記錄的消息。故事的主角﹐則是UIUC電機與電腦工程系的教授Milton Feng與其組內的研究生們。Milton Feng的實驗室﹐自1995年起﹐就投入利用化合物半導體製造高速電晶體的研究。幾年來﹐透過將BJT中垂直方向(註一)的磊晶層縮小以減低載子在元件中運動的時間﹐他們可以達到提昇BJT速度的目的。然而﹐由於BJT先天設計上面的限制﹐磊晶層厚度的縮小﹐相對地會增加元件的電容﹐使得其充放電時間延長﹐多少反而會抵消了原先在速度上的提昇。
為了突破這個瓶頸﹐Milton Feng和他的兩位研究生﹐Walid Hafez和Jie-Wei Lai﹐除了利用原先縮小垂直面磊晶層的技術﹐還進一步將元件在其射極(emitter) 與集極(collector) 的橫向尺寸上加以縮小。如此﹐就可以避免因磊晶層縮小而增加的電容。此外﹐他們並沒有使用如矽(Si)或鍺(Ge﹐註二) 等製造電晶體的傳統元素材料﹐而是選擇了使用磷化銦(InP)與砷化銦鎵(InGaP) 這兩種化合物半導體材料 。原因是這兩種化合物半導體﹐其中的載子具有較高的移動率(mobility) ﹐並且這些材料可以容納更高的電流密度。
採用上述雙管齊下的元件縮小技術﹐Milton Feng的研究小組在去年一月份推出了集極為150 nm﹑頻率達382 GHz的BJT。緊接著在同年的五月﹐又製造出基極為25 nm﹑集極為100 nm﹑頻率達452GHz的元件。而在今年的十月份﹐達成將集極進一步縮小至75 nm﹐他們再度刷新自己原先所創下的世界記錄﹐推出頻率達509 GHz的BJT。另外值得一提的是﹐除了在元件結構上面下功夫之外﹐他們為了減少因接點(contact) 造成基極與集極之間耦合而存在的寄生電容(parasitic capacitance) ﹐利用一道狹窄的金屬來將基極端與集極的接線分開。如此就可以增加元件的電流密度﹐並且加速元件的運作。
這個目前世界上最快的電晶體﹐預期可被廣泛應用在製造更快的電腦﹑電視遊戲機﹑更快且更多選擇性(可用頻寬更廣)的無線通訊﹑以及如雷達和電子戰等需要快速類比-數位轉換的系統上。Milton Feng更表示﹐利用他們所開發的元件縮小技術﹐可望製造出更快的電晶體﹐他們的最終目標是將元件的頻率推進到Terahertz(1012 Hz)的領域。
(註一) BJT中載子的運動方式﹐是與磊晶層接面垂直(從一磊晶層到另一磊晶層)﹐與場效電晶體(FET﹐field effect transistor) 中﹐載子基本上是在同一層物質中運動的傳導方式有所不同。
(註二) 世界上的第一枚電晶體﹐是John Bardeen與W.H. Brattain﹑W. Shockley﹐在1947年利用鍺為材料所發明出來的﹐並且是BJT的結構﹐不是目前FET的結構。他們三人因為這項發明﹐在1956年獲得當年的諾貝爾物理獎。自1951年起﹐Bardeen即在UIUC當時的電機與物理系擔任教授與享有榮譽教授的頭銜。
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