三五族半导体将无限延长摩尔定律寿命？

    美商 POET Technologies 预言，砷化镓(Gallium arsenide，GaAs)很快就会取代矽，成为高性能晶片的材料选择；而曾任职于贝尔实验室(Bell Labs)的该公司共同创办人暨首席科学家Geoff Taylor表示，上述论点自1980年代就已经被提出。

    Taylor指出，相较于矽，砷化镓能在提升电晶体性能的同时，整合光学电路的功能；这些特质能带来更高的性能以及创新的晶片架构，并因此让摩尔定律(Moore"s Law)寿命无限延长。“数位逻辑矽晶片在4GHz就会遇到瓶颈，但我们今日已经能制造小型的砷化镓类比电路，切换频率达到100GHz，而且在不远的将来还能进一步达到400GHz；”他在接受EETimes美国版编辑访问时表示：“只要加上POET打造的光学发射器以及探测器做为晶片上光学互连。”

    在同一颗晶片上结合标准逻辑单元以及光学元件，是设计方法上的一大改变，POET是取得了EDA供应商Synopsys的协助，才成功设计出光电混合元件；举例来说，光学回路能实现超低抖动振荡器，且频宽高于矽材料。POET也打算以多波长方式，打造超精密的类比数位转换器，透过将电压编码为波长，用更低功耗以及更少元件产出更高解析度以及位元率。

    其他砷化镓这类三五族半导体(III-V)材料超越矽的优势，包括较低的操作电压──藉由应变量子阱(strained quantum wells)达到低0.3V，电子迁移率12,000 cm2/ (V·s)──POET表示，如此能将三五族晶片功耗降低十倍以上。不过目前砷化镓晶圆片比矽晶元的成本高出许多；对此Taylor表示，新一代矽晶片采用的FD-SOI制程，成本其实与砷化镓差不多。

    大多数三五族元素，包括铟(In)、镓(Ga)、砷(As)以及磷(phosphorous，P)，都有比矽更高的电子迁移率，但在制造上也有特定的问题使得它们无法取代矽材料；换句话说，缺乏数位电路的强化元件，以及缺乏互补设计的p通道电晶体。在打造能在上面同时制作出n型与p型电晶体的基板之前，POET已经发现了一个方法，能在砷化铟镓以及砷化镓晶圆片上长出连续层(successive layer)，每一层都有一点铟。

    p型电晶体终可在应变砷化铟镓量子阱中，以大约1900 cm2/(V·s)的电洞迁移率被制作出来，而n型电晶体的迁移率更高、达8500 cm2/ (V·s)；至于矽的迁移率仅1200 cm2/ (V·s)。POET期望能将n型电晶体的迁移率提升至12,000，以实现超高数位逻辑率的互补HFET。

POET技术开发历程

    在任职于贝尔实验室时所开发的三五族晶片技术专利过期之前数年，Taylor就转往康乃狄克大学(University of Connecticut)工作，后来他也在那里重新开始进行贝尔实验室的研发题目，不过将内容由单个n通道的电/光混合技术，转为双通道电/光混合技术的开发，期望能在未来藉由互补性的电/光电路，让摩尔定律寿命无限制延长。

    Taylor将该技术命名为平面光电技术(Planar Opto Electronic Technology，POET)，康乃狄克大学已经取得专利，是POET的授权者。POET公司技术长Daniel DeSimone表示：“我们的平面电子技术PET，是超越过去以类NMOS电路架构为基础的砷化镓技术之一大进展，因为我们拥有可整合的平面式光学与电子元件能互补，因此能用 CMOS制程。”

    POET的电晶体通道是砷化铟镓材料，如果将镓去掉(也就是纯块状砷化铟)，理论上能达到40,000 cm2/ (V·s)的迁移率。不过POET表示，那是无法达成的、只能尽可能接近；到目前为止，该公司已经将电晶体通道的铟成分提升至53%，并有信心可进一步提升至80%。

    “我们是以一种愚弄大自然的独特变性方法，藉由改变晶格常数(lattice constant)来达成上述结果；”Tylor表示：“首先，我们以砷化镓为基底，在其上堆叠一层又一层1微米(micron)厚的砷化铟镓应变层，直到产生与磷化铟(InP)晶格常数相对应的天然量子阱。以上的成分控制室是以分子束磊晶(Molecular-beam epitaxy，MBE)技术来进行。”

    POET已经与一家第三方晶圆代工业者签署合作协议，预计在今年稍晚以0.1微米制程实际验证其技术，并在2015年迈向40奈米制程节点；这听起来似乎落后已经来到20奈米节点、甚至14奈米节点的矽技术许多，不过POET强调这种比较是不公平的，其40奈米制程元件的性能应该要与14奈米或10奈米矽晶片来比较。

    DeSimone表示：“我们的40奈米砷化镓元件在速度上矽晶片三个制程世代，在功耗上则四个世代，而整合密度是差不多的；因此40奈米制程的砷化镓元件，应该要在速度上与14奈米矽晶片比较，在功耗上则是与10奈米矽晶片比较。”