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硅光子|韩高校研究出新型光子激发纳米线晶体管,促进光学计算进一步发展

韩国大学一研究团队采用一种新型纳米线晶体管来实现光子通过纳米线控制逻辑栅。研究人员将这种晶体管称为“触发纳米线晶体管”(PTNT),这种晶体管使得光子控制逻辑栅成为可能,有望引领超紧凑纳米处理器和纳米级光子探测器在高分辨率成像领域的应用。该研究成果已发表于《自然·纳米技术》期刊。


研究背景

用光子代替电子来进行计算的想法使光速计算非常有前景,目前已经设想出许多种方案。但这些方案中,需要用光来控制电流开关和放大,而并不需要电子栅来控制。触发纳米线晶体管的出现将促进光学计算的进一步发展。


晶体管制造

PTNT纳米线晶体管的制造方式为两段长晶体硅片段(CSi)中间连接短多空硅片段(PSi)形成,在纳米线的两端端点处形成电接触。如下图所示。


在纳米线中间的这些多孔硅片段作为捕获电子的储存器,其有效地抑制跨过电极的电流,产生晶体管的“截止”状态。但是由于多孔硅对光非常敏感,因此可以用光控制电流的开启和关闭。


当光线撞击多孔硅片段时,那些被捕获的电子被激发到更高的能量状态,直到它们通过纳米线扩散,从而形成能够跨越电极的电流。这样将产生晶体管的“导通”状态。这使得多孔硅片段相当于一个高开/关比的场效应晶体管。比率达到106,与当前最佳的硅纳米线性能相当。


研究意义

韩国大学教授Hong-Gyu Park认为,他们开发的PTNT器件具有光子和电子器件的优点。该光子触发晶体管与其它纳米级电子晶体管尺寸相似,能够像传统的全电子晶体管一样切换和放大电流。


Park和他的同事们还合成了更复杂的结构,在一个纳米线中包含两个多孔硅片段,可以使用另个独立的光输入信号来触发。研究人员通过使用局部泵浦激光器作为输入,使用电流或电压作为输出,能够展示包括与门、或门和与非门的光子触发逻辑门,这是现代计算机处理的基本部件。


未来发展

虽然初步结果令人鼓舞,但用于制造多孔硅片(金属辅助化学蚀刻)的加工工艺还需要改进。与传统自下而上生长纳米线方法相比,这种工艺制造的纳米线表面更粗糙,增大了器件电阻。Park表示,他们需要制造表面更光滑的纳米线来提升器件性能。


尽管如此,Park认为PTNT器件为多功能器件应用提供了创新的方法,如可编程逻辑器件和超灵敏探测器等,希望未来能够通过大量生产具有多孔硅片的硅纳米线来扩大光子触发晶体管的生产。

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