金属-绝缘体电子技术可望取代半导体？

超高速电子正迅速地填补着介于最高仅数百GHz的半导体，以及可高达数百THz的光学频率之间的‘THz间隙’。众所周知，频率达到THz时的波长通常以毫米为单位，而由Phiar公司所发明的新型金属-绝缘体电子技术，显示出其频率已高达3.8THz，可望成为填补‘THz间隙’的新技术。 

Phiar声称该公司在业界拥有多家技术开发合作伙伴，使其技术得以克服许多应用中的障碍，包括60GHz天线边缘频率转换、平行快闪固态储存硬盘、单芯片毫米波雷达、用于安全领域的‘X光透视’系统和芯片间RF互连的整合式THz检测器数组。

“我们的技术将成为自真空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AdamRentschler宣称。 

近日，Phiar和摩托罗拉实验室(MotorolaLabs)共同完成了一项以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，并用以传送多信道的未经压缩高解析视讯讯号。该组件符合最新的60GHz无线标准IEEE802.15TG3c。一直以来，速度能够满足60GHz天线要求且具有性价比的组件，只有昂贵的分离式砷化镓二极管。但随着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地开发出60GHz的无线电设备和天线原型。 

“摩托罗拉在数年前就成功展示了频率很高的数Gb传送器和接收器，目前正对组件的尺寸、性能和总体成本进行改进。”摩托罗拉毫米波RF技术经理RudyEmrick透露道。 

采用Phiar公司的技术后，60GHz的无线讯号可透过较不昂贵的模拟金属-绝缘体电路而下降为2~3GHz讯号，因而在消费设备之间实现高解析视讯的无线传送。Phiar技术还能实现低价的THz雷达和成像设备，例如能够准确穿透衣物以辨识是否藏匿武器的机场安全系统。 

Phiar公司还宣称已与一家未透露名字的‘美国主要闪存制造商’签署了一份合约，计划使用金属-绝缘体技术以实现用于固态硬盘的平行闪存，据称能达到NOR的速度与NAND的密度。 

除了60GHz二极管以外，Phiar公司也展示了可搭配的检测器和AM接收器，以及60GHz混频器、调变器和变容二极管的概念原型、500GHz二极管与THz检测器。该公司并预期将在今年展示THz晶体管原型。“透过将高密度NAND内存(通常是串行设备)配置成像NOR内存般的随机存取装置，金属-绝缘体晶体管可实现固态硬盘，并具备实现随机存取固态硬盘的潜力。”LuxResearch公司资深分析师VaheMamikunian表示。 

淘汰半导体 

金属-绝缘体电子技术采用第二层绝缘体和金属，取代了金属氧化物半导体(MOS)组件中的半导体，因而形成‘金属-绝缘体-绝缘体-金属’的四层堆栈架构。使得该技术顺利运作的主要原因在于：两种金属及其绝缘体经过仔细裁剪后，在只允许高能量穿隧效应的绝缘体间有效地形成了一个量子阱。因此，当施加于顶部金属的电压超过其阈值时，弹道传送机制产生作用，因而加速穿隧电子通过间隙。

“我们促进了通过氧化层的量子穿隧效应，而氧化层厚度总共也才60埃(0.6nm)左右。”Phiar公司总裁兼执行长BobGoodman说道，“由于量子穿隧是一种传送机制，它发生的速度比半导体领域中的任何事物都快，在我们的组件中是飞秒(10-(SUB/)15(/SUB))数量级，这将打破半导体的物理定律。” 

因此，金属-绝缘体组件的最高频率已达3.8THz，而半导体由于不可避免地会降低电子流动速率，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芯片技术更容易，因为它采用的是与CMOS晶圆厂相同的成熟制程步骤，而且组件几乎可以在所有基板上制造──即使是在消费性组件的塑料外壳内面上也一样行得通。