Ⅲ-Ⅴ族薄膜和晶格無缺陷技術在高頻、光電元件的應用及3D矽積體電路的整合(I)

Abstract

近幾年來，行動通信系統及網路的快速發展，高頻元件的應用 已成為通信高速化最主要的目標， 目前應用最廣的高速元件即Si CMOSFET 及Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體元件。化合物半導體優於矽半導體的主 要性質為1. 較矽半導體快10X 的電子遷移率（Electron Mobility），因 此適用於高頻傳輸2.化合物半導體具備有直接能帶及高效率的光電轉 換特性。然而矽半導體CMOSFET 卻有價格最便宜及高VLSI integration 之優點。因此，英特爾公司目前已經提出在下一個世代的的矽超大型積 體電路的應用將使用III-V FET 在矽基板上。由於本實驗室過去幾年與 加拿大國家研究中心在高頻元件方面的努力已有相當的研究成果（已發 表數十篇論文在各國際知名期刊和會議），所以，在此研究計畫中，我 們將繼續與加拿大國家研究中心合作，並應用我們過去研發的晶格無缺陷 黏合技術，將Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體整合於矽基板上並更進一步的發展具有 3-D 空間的矽積體電路。因此我們將開發出更新一代的高速元件，此應用類 似我們已成功發展的3-D GOI 高性能電晶體整合技術。此外，在此計畫中， 我們也將和柏克萊大學（Univ. of Berkeley, world ranking #2 university）S. J. King 教授進行高介電係數材料和3-D 技術的元件模擬與分析合作，這不僅可 以得到一個更有力的支援，且增進兩國在科技學術的交流。（附件一）而且我們也將與Prof. Hiroshi Iwai (President of IEEE Electron Device Society) 一起合作（ 附件2） 。Iwai 教授日前有一個Plenary Section Talk 在 International Electron Devices Meeting (IEDM)， 同時他也是一個擁有 IEEE Ebers 獎的得主，他在high-k 及記憶體方面的研究屬於全世界數一 數二的學者。最後，此計畫也將由國立交通大學張俊彥校長及電資學院 吳重雨院長所共同協助指導與背書，因為與國際知名大學的合作一直以 為台灣所追求的目標。 其次，我們也將延續之前矽基板發光元件的研究，使用晶格無缺 陷黏合技術將具有直接能帶特性的Ⅲ -Ⅴ 族化合物半導體整合於矽基板 上以製作發光元件，此研究不僅可以降低元件的製作成本（具商業價值） 且可相容於目前的矽積體電路製程技術。美國IBM 日前已成功的開發在 LSI 之間實現以光信號進行數據傳輸的感光元件。感光元件的製程採用 了與傳統CMOS 技術相容性較高的邏輯LSI 製程技術-GOI (Germanium On Insulator)技術。因此，該元件可整合到微處理器等的輸出/入介面電 路中。開發此項技術的目的是解決電腦系統中日益明顯的瓶頸問題:隨 著微處理器性能的日益提高，晶片之間如果繼續採用電路進行數據傳輸 的話，其速度將難以提升，這一點已成為系統性能提高的主要障礙。IBM 此次發表的GOI 技術，可將基於Ge 元素的感光元件整合在LSI 上。其 工作電壓為＋1V，響應頻率約30GHz。近距離光通信用850nm 頻帶光信 號的變換效率高達Si 感光元件的70 倍。從理論上講，可實現的數據傳 輸速度可達50Gbit/秒。這也證明了本研究計畫所具有的發展性。