近日消息，美過POET Technologies 預言，砷化鎵(Gallium arsenide，GaAs)很快就會取代矽，成為高性能晶片的材料選擇;而曾任職于貝爾實驗室(Bell Labs)的該公司共同創(chuàng)辦人暨首席科學家Geoff Taylor表示，上述論點自1980年代就已經被提出。

Taylor指出，相較于矽，砷化鎵能在提升電晶體性能的同時，整合光學電路的功能;這些特質能帶來更高的性能以及創(chuàng)新的晶片架構，并因此讓摩爾定律(Moore"s Law)壽命無限延長。“數位邏輯矽晶片在4GHz就會遇到瓶頸，但我們今日已經能制造小型的砷化鎵類比電路，切換頻率達到100GHz，而且在不遠的將來還能進一步達到400GHz;”他在接受EETimes美國版編輯訪問時表示：“只要加上POET打造的光學發(fā)射器以及探測器做為晶片上光學互連。”

在同一顆晶片上結合標準邏輯單元以及光學元件，是設計方法上的一大改變，POET是取得了EDA供應商Synopsys的協助，才成功設計出光電混合元件;舉例來說，光學回路能實現超低抖動振蕩器，且頻寬高于矽材料。POET也打算以多波長方式，打造超精密的類比數位轉換器，透過將電壓編碼為波長，用更低功耗以及更少元件產出更高解析度以及位元率。

POET的砷化銦鎵環(huán)形振蕩器號稱比矽振蕩器更精確且頻率更高

其他砷化鎵這類三五族半導體(III-V)材料超越矽的優(yōu)勢，包括較低的操作電壓──藉由應變量子阱(strained quantum wells)達到最低0.3V，電子遷移率12,000 cm2/ (V·s)──POET表示，如此能將三五族晶片功耗降低十倍以上。不過目前砷化鎵晶圓片比矽晶元的成本高出許多;對此Taylor表示，新一代矽晶片采用的FD-SOI制程，成本其實與砷化鎵差不多。

大多數三五族元素，包括銦(In)、鎵(Ga)、砷(As)以及磷 (phosphorous，P)，都有比矽更高的電子遷移率，但在制造上也有特定的問題使得它們無法取代矽材料;換句話說，缺乏數位電路的強化元件，以及缺乏互補設計的p通道電晶體。在打造能在上面同時制作出n型與p型電晶體的基板之前，POET已經發(fā)現了一個方法，能在砷化銦鎵以及砷化鎵晶圓片上長出連續(xù)層(successive layer)，每一層都有一點銦。

p型電晶體最終可在應變砷化銦鎵量子阱中，以大約1900 cm2/(V·s)的電洞遷移率被制作出來，而n型電晶體的遷移率更高、達8500 cm2/ (V·s);至于矽的遷移率僅1200 cm2/ (V·s)。POET期望能將n型電晶體的遷移率提升至12,000，以實現超高數位邏輯率的互補HFET。

POET技術開發(fā)歷程

在任職于貝爾實驗室時所開發(fā)的三五族晶片技術專利過期之前數年，Taylor就轉往康乃狄克大學(University of Connecticut)工作，后來他也在那里重新開始進行貝爾實驗室的研發(fā)題目，不過將內容由單個n通道的電/光混合技術，轉為雙通道電/光混合技術的開發(fā)，期望能在未來藉由互補性的電/光電路，讓摩爾定律壽命無限制延長。

Taylor將該技術命名為平面光電技術(Planar Opto Electronic Technology，POET)，康乃狄克大學已經取得專利，是POET的獨家授權者。POET公司技術長Daniel DeSimone表示：“我們的平面電子技術PET，是超越過去以類NMOS電路架構為基礎的砷化鎵技術之一大進展，因為我們擁有可整合的平面式光學與電子元件能互補，因此能用 CMOS制程。”

POET的電晶體通道是砷化銦鎵材料，如果將鎵去掉(也就是純塊狀砷化銦)，理論上能達到 40,000 cm2/ (V·s)的遷移率。不過POET表示，那是無法達成的、只能盡可能接近;到目前為止，該公司已經將電晶體通道的銦成分提升至53%，并有信心可進一步提升至80%。

POET采用的砷化鎵基板，能讓光學與電子元件排列在一起，并讓電晶體與光學互連在同一顆晶片上共存

“我們是以一種愚弄大自然的獨特變性方法，藉由改變晶格常數(lattice constant)來達成上述結果;”Tylor表示：“首先，我們以砷化鎵為基底，在其上堆疊一層又一層1微米(micron)厚的砷化銦鎵應變層，直到產生與磷化銦(InP)晶格常數相對應的天然量子阱。以上的成分控制室是以分子束磊晶(Molecular-beam epitaxy，MBE)技術來進行。”

POET已經與一家第三方晶圓代工業(yè)者簽署合作協議，預計在今年稍晚以0.1微米制程實際驗證其技術，并在2015年邁向40奈米制程節(jié)點;這聽起來似乎落后已經來到20奈米節(jié)點、甚至14奈米節(jié)點的矽技術許多，不過POET強調這種比較是不公平的，其40奈米制程元件的性能應該要與14奈米或10奈米矽晶片來比較。

DeSimone表示：“我們的40奈米砷化鎵元件在速度上領先矽晶片三個制程世代，在功耗上則領先四個世代，而整合密度是差不多的;因此40奈米制程的砷化鎵元件，應該要在速度上與14奈米矽晶片比較，在功耗上則是與10奈米矽晶片比較。”