新型金属-绝缘体电子技术将替代半导体技术

超高速电子正在迅速填补最高不过数百GHz的半导体和可以达到数百THz的光学频率之间的“THz差距”。大家都知道，频率达到THz时的波长通常以毫米为单位，而承诺填补“THz差距”的新技术，正是Phiar公司发明的新型金属-绝缘体电子技术，其演示频率已达3.8THz。  

Phiar声称在业界已经拥有多家合作伙伴，其技术已经克服许多应用中的障碍，包括60GHz天线边缘频率转换、并行闪速固态存储驱动器、单芯片毫米波雷达、用于安全的“X光透视”系统和芯片间RF互连的集成式THz检测器阵列。  

“我们的技术将成为自电子管推出以来第一种可行的半导体替代技术。”Phiar公司业务开发总监Adam Rentschler宣称。  

近日，Phiar和摩托罗拉实验室联合完成了一项以Phiar的金属-绝缘体二极管为基础的60GHz天线开发工作，这种天线能实现数Gb的无线射频，可用来传送多通道的未经压缩的高清视频信号。该器件符合最新的60GHz无线标准IEEE 802.15 TG3c。一直以来，速度能够满足60GHz天线要求且具有性价比的器件，只有昂贵的分立型砷化镓二极管。但借助Phiar公司推出不用半导体的金属-绝缘体二极管后，摩托罗拉公司已经成功开发出60GHz无线电设备和天线原型。  

“摩托罗拉在数年前就成功演示了频率很高的数Gb发送器和接收器，目前正在对器件的尺寸、性能和总体成本进行改进。” 摩托罗拉毫米波RF技术经理Rudy Emrick透露道。  

采用Phiar公司的技术后，60GHz的无线信号可以在并不昂贵的模拟金属-绝缘体电路帮助下降为2-3GHz信号，从而在消费设备之间实现高清视频的无线传送。Phiar技术还能实现低价的THz雷达和成像设备，例如能够准确透过衣服辨认匿藏武器的机场安全系统。  

Phiar公司还宣称与一家未透露名字的“美国主要的闪存制造商”签署了一份合同，准备使用金属-绝缘体技术实现用于固态驱动器的并联闪存，能达到NOR的速度和NAND的密度。  

除了60GHz二极管外，Phiar公司还展示了匹配的检测器和AM接收器；60GHz混频器、调制器和变容二极管的概念原型；500GHz二极管以及THz检测器。该公司还有望在今年展示THz晶体管原型。“通过配置高密度NAND存储器(通常是串行设备)实现像NOR那样的随机访问，金属-绝缘体晶体管可以实现固态硬驱，并有潜力实现随机存取固态硬驱。”Lux Research公司高级分析师Vahe Mamikunian表示。  

淘汰半导体  

金属-绝缘体电子技术用第二层的绝缘体和金属，替代了金属氧化物半导体(MOS)器件中的半导体，从而形成金属-绝缘体-绝缘体-金属四层堆叠结构。该技术行的通的真正原因是：两类金属及其绝缘体经过仔细裁剪在只允许高能隧道的绝缘体间很好地形成了一个量子。因此当施加于顶部金属的电压超过其阈值时，弹道传送机制发生作用，从而加速隧道电子通过间隙。  

“我们促进了通过氧化层的量子隧道效应，而氧化层厚度总共也才60埃(0.6nm)左右。”Phiar公司总裁兼首席执行官Bob Goodman说道，“因为量子隧道是一种传送机制，它产生的速度比半导体领域中的任何事物都快，在我们的器件中是飞秒(10-(SUB/)15(/SUB))数量级，这将打破半导体的物理定律。”  

这样，金属-绝缘体器件的最高频率已达3.8THz，而半导体由于不可避免地会降低电子流速，因此目前CMOS半导体的最高速度只能达到60GHz，SiGe半导体也只有400GHz。  

金属-绝缘体技术据称在制造方面比高速硅片技术更容易，因为它采用的是与CMOS工厂相同的成熟工艺步骤，而且器件几乎可以在所有基底上制造——即使是在消费类器件的塑料外壳内面上也可以。