电子元设备打破超高速通信的障碍

诸平

(Image: Pixabay CC0)

据瑞士洛桑联邦理工学院（Swiss Federal Institute of Technology Lausanne简称EPFL）2023年2月17日报道，瑞士研究人员提出了一种新的电子学方法，涉及亚波长尺度的工程超结构（engineering metastructures）。它可以推出用于交换大量数据的下一代超高速设备，并应用于6G通信及其他领域（Electronic metadevices break barriers to ultra-fast communications）。相关研究结果于2023年2月15日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Mohammad Samizadeh Nikoo, Elison Matioli. Electronic metadevices for terahertz applications. Nature, Published: 15 February 2023. Volume 614, pages 451–455. DOI:10.1038/s41586’022-05595-z. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05595-z

到目前为止，使电子设备更快的能力归结为一个简单的原则：缩小晶体管和其他组件。但这种方法正在达到极限，因为缩小的好处被阻力和输出功率降低等不利影响所抵消。

因此，进一步小型化并不是提高电子性能的可行解决方案，EPFL工程学院（EPFL’s School of Engineering）功率和宽带隙电子研究实验室 (Power and Wide-band-gap Electronics Research Lab简称POWERlab)的埃利森·马蒂奥利（Elison Matioli）解释说。“新的论文描述了越来越小的设备，但就氮化镓制成的材料而言，频率方面最好的器件几年前就已经发表了，”他说。“在那之后，真的没有什么比这更好的了，因为随着设备尺寸的减小，我们面临着根本性的限制。无论使用何种材料都是如此。”

为了应对这一挑战，埃利森·马蒂奥利和博士生穆罕默德·萨米扎德·尼康（Mohammad Samizadeh Nikoo）提出了一种新的电子学方法，可以克服这些限制并实现新型太赫兹设备。顺便说明一下，穆罕默德·萨米扎德·尼康已经博士毕业，现在就职于瑞士苏黎世联邦理工学院集成系统实验室（Integrated Systems Laboratory, ETH Zurich, Switzerland）。他们没有缩小他们的设备，而是重新安排了它，特别是通过在由氮化镓（gallium nitride）和氮化铟镓（indium gallium nitride）制成的半导体上蚀刻亚波长距离的称为变质结构（metastructures）的图案化触点。这些变质结构允许控制设备内部的电场，产生自然界中不存在的非凡特性。

至关重要的是，该设备可以在太赫兹范围内（0.3-30 THz之间）的电磁频率下运行——比当今电子产品中使用的千兆赫兹波快得多。因此，它们可以在给定的信号或周期内携带更多的信息，从而使它们在6G通信及以后的应用中具有巨大的应用潜力。

“我们发现，在微观尺度上操纵射频场可以显著提高电子设备的性能，而无需依赖激进的缩小尺度，”穆罕默德·萨米扎德·尼康解释说，他是上述发表在《自然》杂志上的一篇关于这一突破的文章的第一作者。

记录高频，记录低阻（Record high frequencies, record low resistance）

由于太赫兹频率对于当前的电子设备来说太快而无法管理，而对于光学应用来说太慢，这个范围通常被称为“太赫兹间隙（terahertz gap）”。使用亚波长超结构（sub-wavelength metastructures）来调制太赫兹波是一种来自光学世界的技术。但是POWERlab的方法可以实现前所未有的电子控制，而不像光学方法那样将外部光束照射到现有的图案上。

“在我们基于电子学的方法中，控制感应射频的能力来自亚波长图案化触点的组合，加上施加电压对电子通道的控制。这意味着我们可以通过改变元器件内部的集体效应诱导电子（或不诱导电子），”埃利森·马蒂奥利说。

虽然当今市场上最先进的设备可以达到高达2 THz的频率，但POWERlab的元设备（POWERlab’s metadevices）可以达到20 THz。同样，如今在太赫兹范围附近运行的设备往往会在低于2 V的电压下发生故障，而元设备可以支持超过 20 V的电压。这使得太赫兹信号的传输和调制能够以比目前更大的功率和频率进行传输和调制。

综合解决方案(Integrated solutions)

正如穆罕默德·萨米扎德·尼康所解释的那样，调制太赫兹波对于电信的未来至关重要，因为自动驾驶汽车和6G移动通信等技术对数据的不断增长的需求正在迅速达到当今设备的极限。POWERlab开发的电子元器件可以通过生产已经可以用于智能手机等的紧凑型高频芯片，为集成太赫兹电子产品奠定基础。

“这项新技术可能会改变超高速通信的未来，因为它与半导体制造中的现有工艺兼容。我们已经展示了在太赫兹频率下每秒高达 100 吉比特(100 Gbits/s)的数据传输，这已经是我们今天拥有5G的10倍以上，”穆罕默德·萨米扎德·尼康说。

埃利森·马蒂奥利说，为了充分发挥这种方法的潜力，下一步是开发其他电子元件，准备好集成到太赫兹电路中。“集成太赫兹电子（Integrated terahertz electronics）是互联未来的下一个前沿领域。但我们的电子元器件只是一个组件。我们需要开发其他集成太赫兹组件以充分发挥这项技术的潜力。这就是我们的愿景和目标。”
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Abstract

The evolution of electronics has largely relied on downscaling to meet the continuous needs for faster and highly integrated devices¹. As the channel length is reduced, however, classic electronic devices face fundamental issues that hinder exploiting materials to their full potential and, ultimately, further miniaturization². For example, the carrier injection through tunnelling junctions dominates the channel resistance³, whereas the high parasitic capacitances drastically limit the maximum operating frequency⁴. In addition, these ultra-scaled devices can only hold a few volts due to the extremely high electric fields, which limits their maximum delivered power^5,6. Here we challenge such traditional limitations and propose the concept of electronic metadevices, in which the microscopic manipulation of radiofrequency fields results in extraordinary electronic properties. The devices operate on the basis of electrostatic control of collective electromagnetic interactions at deep subwavelength scales, as an alternative to controlling the flow of electrons in traditional devices, such as diodes and transistors. This enables a new class of electronic devices with cutoff frequency figure-of-merit well beyond ten terahertz, record high conductance values, extremely high breakdown voltages and picosecond switching speeds. This work sets the stage for the next generation of ultrafast semiconductor devices and presents a new paradigm that potentially bridges the gap between electronics and optics.