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(gè)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?yàn)槌叽绮粩嗫s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(shí)驗(yàn)室（POWERlab）的Elison Matioli解釋說，因?yàn)椴粩嗟男⌒突皇翘岣唠娮有阅艿目尚薪鉀Q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?yàn)殡S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(shí)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(shí)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(hào)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(gè)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(shí)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(shí)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(hào)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?yàn)?a href="http://m.xsypw.cn/tags/自動(dòng)駕駛/" target="_blank">自動(dòng)駕駛汽車和6G移動(dòng)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(xiàng)新技術(shù)可能會(huì)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(shí)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(shí)現(xiàn)互聯(lián)未來的下一個(gè)前沿技術(shù)。但我們的電子元設(shè)備只是一個(gè)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(xiàng)技術(shù)的潛力。這是我們的愿景和目標(biāo)。”

審核編輯：劉清