到目前為止，使電子設(shè)備運(yùn)行更快的方法歸根結(jié)底都遵循一個簡單的原則，即縮小晶體管和其他零部件的尺寸。但這種方法正到達(dá)其極限，因為尺寸不斷縮小帶來的益處被如電阻和輸出功率降低等不利影響抵消。

來自EPFL工程學(xué)院功率和寬帶隙電子研究實驗室（POWERlab）的Elison Matioli解釋說，因為不斷的小型化不是提高電子性能的可行解決方案。

他表示：“很多新發(fā)表的論文都描述了越來越小的器件，僅就氮化鎵材料而言，幾年前就已經(jīng)發(fā)表了在頻率方面表現(xiàn)最好的器件。

在那之后，就沒有更好的了，因為隨著設(shè)備尺寸的減小，我們面臨著根本性的限制。無論使用何種材料，都是如此。”

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，Matioli和博士生Mohammad Samizadeh Nikoo提出了一種新的電子方法，可以克服這些限制，并實現(xiàn)一種新型太赫茲設(shè)備。他們通過重新排列器件而不是縮小器件來實現(xiàn)，特別是在由氮化鎵和氮化銦鎵制成的半導(dǎo)體上，以亞波長距離蝕刻被稱為元結(jié)構(gòu)的圖案化觸點(diǎn)。這些元結(jié)構(gòu)允許控制器件內(nèi)部的電場，產(chǎn)生自然界中所不存在的出色特性。

至關(guān)重要的是，該設(shè)備可以在太赫茲范圍內(nèi)（0.3-30 THz之間）的電磁頻率下工作——比當(dāng)今電子產(chǎn)品中使用的千兆赫茲波快得多。因此，它們可以在給定的信號或周期內(nèi)攜帶更多的信息，在6G通信及其他領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

Samizadeh Nikoo解釋道：“我們發(fā)現(xiàn)，在微觀尺度上調(diào)整射頻可以顯著提高電子設(shè)備的性能，而無需大幅縮小尺寸。”

創(chuàng)記錄的高頻，創(chuàng)記錄的低電阻

由于太赫茲頻率對于當(dāng)前的電子設(shè)備來說太快而無法管理，但它對于光學(xué)應(yīng)用來說又太慢，所以這個范圍通常被稱為“太赫茲鴻溝”。使用亞波長元結(jié)構(gòu)來調(diào)制太赫茲波是一種來自光學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)。但是POWERlab的方法可實現(xiàn)前所未有的電子控制，與將外部光束照射到現(xiàn)有圖案上的光學(xué)方法不同。

Matioli表示：“在我們基于電子技術(shù)的方法中，控制感應(yīng)射頻的能力來自亞波長圖案化觸點(diǎn)的組合，加上外加電壓對電子通道的控制。這意味著我們可以通過感應(yīng)電子（或不感應(yīng)電子）來改變元器件內(nèi)部的集體效應(yīng)。”

雖然目前市場上最先進(jìn)的設(shè)備可以實現(xiàn)高達(dá)2THz的頻率，但POWERlab的元設(shè)備可以達(dá)到20THz。類似地，目前在太赫茲范圍內(nèi)工作的設(shè)備往往在低于2伏的電壓下容易發(fā)生故障，而元設(shè)備可以支持超過20伏的電壓。這使得太赫茲信號可在比當(dāng)前可能的工作功率和頻率大得多的情況下進(jìn)行傳輸和調(diào)制。

集成解決方案

正如Samizadeh Nikoo所解釋的那樣，調(diào)制太赫茲波對于電信的未來發(fā)展至關(guān)重要，因為自動駕駛汽車和6G移動通信等技術(shù)對數(shù)據(jù)的日益增長的需求正讓目前設(shè)備的疲于應(yīng)付。例如，POWERlab開發(fā)的電子元設(shè)備可以通過生產(chǎn)已經(jīng)可以用于智能手機(jī)的緊湊型高頻芯片，開創(chuàng)集成太赫茲電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)。

Samizadeh Nikoo表示：“這項新技術(shù)可能會改變超高速通信的未來，它也能與目前的半導(dǎo)體制造工藝兼容。我們也已經(jīng)實現(xiàn)，在太赫茲頻率下，數(shù)據(jù)傳輸速度高達(dá)每秒100千兆比特，這是我們現(xiàn)有5G傳輸速度的10倍。”

為了充分發(fā)揮這一方案的潛力，Matioli表示，下一步是開發(fā)其他電子元件，準(zhǔn)備集成到太赫茲電路中。

他表示：“集成太赫茲電子設(shè)備是實現(xiàn)互聯(lián)未來的下一個前沿技術(shù)。但我們的電子元設(shè)備只是一個零部件。我們需要開發(fā)其他集成太赫茲零部件，以充分發(fā)揮這項技術(shù)的潛力。這是我們的愿景和目標(biāo)。”

審核編輯：劉清