可突破超快通信障碍的电子元设备

到目前为止，使电子设备运行更快的方法归根结底都遵循一个简单的原则，即缩小晶体管和其他零部件的尺寸。但这种方法正到达其极限，因为尺寸不断缩小带来的益处被如电阻和输出功率降低等不利影响抵消。

来自EPFL工程学院功率和宽带隙电子研究实验室（POWERlab）的Elison Matioli解释说，因为不断的小型化不是提高电子性能的可行解决方案。

他表示：“很多新发表的论文都描述了越来越小的器件，仅就氮化镓材料而言，几年前就已经发表了在频率方面表现最好的器件。

在那之后，就没有更好的了，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，Matioli和博士生Mohammad Samizadeh Nikoo提出了一种新的电子方法，可以克服这些限制，并实现一种新型太赫兹设备。他们通过重新排列器件而不是缩小器件来实现，特别是在由氮化镓和氮化铟镓制成的半导体上，以亚波长距离蚀刻被称为元结构的图案化触点。这些元结构允许控制器件内部的电场，产生自然界中所不存在的出色特性。

至关重要的是，该设备可以在太赫兹范围内（0.3-30 THz之间）的电磁频率下工作——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，在6G通信及其他领域具有巨大的应用潜力。

Samizadeh Nikoo解释道：“我们发现，在微观尺度上调整射频可以显著提高电子设备的性能，而无需大幅缩小尺寸。”

创记录的高频，创记录的低电阻

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，但它对于光学应用来说又太慢，所以这个范围通常被称为“太赫兹鸿沟”。使用亚波长元结构来调制太赫兹波是一种来自光学领域的技术。但是POWERlab的方法可实现前所未有的电子控制，与将外部光束照射到现有图案上的光学方法不同。

Matioli表示：“在我们基于电子技术的方法中，控制感应射频的能力来自亚波长图案化触点的组合，加上外加电压对电子通道的控制。这意味着我们可以通过感应电子（或不感应电子）来改变元器件内部的集体效应。”

虽然目前市场上最先进的设备可以实现高达2THz的频率，但POWERlab的元设备可以达到20THz。类似地，目前在太赫兹范围内工作的设备往往在低于2伏的电压下容易发生故障，而元设备可以支持超过20伏的电压。这使得太赫兹信号可在比当前可能的工作功率和频率大得多的情况下进行传输和调制。

集成解决方案

正如Samizadeh Nikoo所解释的那样，调制太赫兹波对于电信的未来发展至关重要，因为自动驾驶汽车和6G移动通信等技术对数据的日益增长的需求正让目前设备的疲于应付。例如，POWERlab开发的电子元设备可以通过生产已经可以用于智能手机的紧凑型高频芯片，开创集成太赫兹电子产品的基础。

Samizadeh Nikoo表示：“这项新技术可能会改变超高速通信的未来，它也能与目前的半导体制造工艺兼容。我们也已经实现，在太赫兹频率下，数据传输速度高达每秒100千兆比特，这是我们现有5G传输速度的10倍。”

为了充分发挥这一方案的潜力，Matioli表示，下一步是开发其他电子元件，准备集成到太赫兹电路中。

他表示：“集成太赫兹电子设备是实现互联未来的下一个前沿技术。但我们的电子元设备只是一个零部件。我们需要开发其他集成太赫兹零部件，以充分发挥这项技术的潜力。这是我们的愿景和目标。”

审核编辑：刘清