新型太赫兹电子元器件 | 应用物理前沿推介系列No.34

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本期推介

一种区别于传统电子器件原理的太赫兹电子元器件[1]

为了满足对更快，更高集成度设备的迫切需求，主要技术途径是不断缩小电子器件的尺寸[2]。然而，在缩小器件尺寸的同时，传统电子器件也面临众多挑战[3]。例如，随着沟道长度的减小，载流子发生隧穿的几率变大，同时沟道电阻增大[4]；高的寄生电容极大地限制了器件的最大工作频率[5]；此外，由于源漏间距减小，导致峰值电场变大，器件的击穿电压急剧衰减，限制了器件的最大输出功率[6][7]。传统电子器件想要进一步小型化，就必须克服这些问题。同时，如晶体管和二极管等传统电子器件在高频条件下的工作效率远低于半导体材料所能发挥的极限。

为了挑战了这些传统器件的限制，2023年，瑞士洛桑联邦理工学院Mohammad Samizadeh Nikoo团队提出了电子元器件的概念。通过对电磁场的微观操作，电子元器件具有杰出特性，超出传统电学所能实现的性能，为下一代超快半导体器件奠定了基础。与传统器件调控电流的工作原理不同，该器件是基于对深亚微米波长尺度上电磁相互作用的静电控制。电子元器件一般可以应用于任何半导体平台，如III-V化合物、互补型金属氧化物半导体（CMOS）、宽带隙和二维（2D）半导体，从而可以探索这些材料和器件的最大潜能。

利用电子元器件的概念，该团队基于高电子迁移率的lnAlN/GaN平台实现了高性能太赫兹开关。器件的截止频率高达18 THZ，同时具备超高电导和击穿电压，以及皮秒级的开关速度，优于传统半导体器件的最先进水平。

器件结构以及原理示意图如图1所示。亚波长模式是电子元器件的关键所在，当顶部金属电极不连续时，给其中一个端口施加激励信号，并通过电阻匹配负载在另一个端口接收信号，激发的亚微米波会产生接近间隙的振荡场，在这种情况下，微波或太赫兹波将被限制在微尺度和纳米尺度上，比其波长要短很多。传统器件中，只是通过一个槽沟使顶部金属不连续，从而导致信号波在金属电极附近是不连续的，从而阻碍了信号的传输（图1·c,g）。电子元器件的顶层金属不连续则是利用长度与亚微米波波长相当的窄金属条，这种金属线条可以与亚波长模式相互作用，调控器件的射频场（图1·f）。电子元器件的Ez在细的金属线条末端几乎是零，从而形成了理想的金属-半导体耦合（图1·g）。电场的调控同时保证了金属线条之间的信号高效传输，因为两个电场有相同的方向，从而一个端口会向另一个端口注入电流（图1·h）。除了相邻的EZ在两个相邻金属端口上的极性相同外，与传统器件相比，电场强度也显著降低，在这种情况下，间隙两侧势垒处的有效电势差相互抵消，从而形成了良好的金属-半导体耦合。同时，元器件表现出了更强的电流密度限制能力，大幅度地降低了电流损失，提高了传输效率（图1·j）。

图 1. 基于微观射频场调控的电子元器件概念及其优异的电子特性。a，MIS结构示意图；b，普通TEM波模式与亚波长准TEM波模式；c，顶部金属不连续性的MIS结构示意图；d， 120 GHZ下具有100 nm长间隙的8 nm薄MIS结构阻挡层的模拟E_z(实部)；e，电子元器件结构示意图；f，同等条件下电子元器件的模拟E_z (实部)；g，直线间隙(传统)器件(蓝色)和元器件(红色)沿传播轴(x)势垒处的模拟E_z；h，元器件势垒处的电场示意图；i,j，直隙器件(i)和元器件(j)的模拟半导体电流密度。

该团队基于高电子迁移率InAlN/GaN平台实现了微波、毫米波和太赫兹波段的电子元器件的制备，并基于微波、毫米波和太赫兹频率下的双端口射频参数测试平台对电子元器件的高频特性进行了表征（图2）。在具有8条金属条的太赫兹元器件中，提取出了极高的18 THZ的截止频率，与模拟结果十分吻合（图2·a）。在C_OFF-R_ON平面上对具有不同条纹数的微波、毫米波和太赫兹元器件进行了基准测试，表明截止频率均远高于传统器件（图2·b）。同时，随着频率升高，元器件的性能也更好，是由于亚微米波的波长更小，约束电流的能力更大，并且金属条数量的增加使得亚微米波与金属条的相互作用增强，导致元器件的电导超线性增长，而电容仍然是线性增长，进一步提高了器件的性能。

图 2.  电子元器件的高频特性。a，具有8条金属条(1.7 μ m × 330 nm)、间隙长度为120 nm的太赫兹元器件的ON-state电阻(R_ON)和OFF-state电抗(X_OFF)与频率的关系；b，电子元器件与主流电子器件的C_OFF-R_ON基准测试数据，表明电子元器件具有极高的截止频率。

另外，电子元器件具有超高导电性和击穿电压（图3）。传统半导体器件在尺寸缩小的过程中，局限之一便是其欧姆接触电阻无法做到理想水平。而在太赫兹频率下的元器件，可以实现低于20 Ω μm的极低接触电阻，同时具备非常低的总导通电阻值，接近二维器件电阻的量子极限。而截止频率为18 THZ的电子元器件可以承受30 V的电压，传统的太赫兹器件只能承受很低的电压。这种特性不仅可以实现高性能太赫兹开关，并且可以在太赫兹放大器中发挥关键作用。

图 3. 电子元器件的超高电导和击穿电压。A，归一化接触电阻和总导通电阻；b，电子元器件和传统射频(RF)功率器件的比电导与击穿电压，电子元器件的性能接近GaN的临界电场(3 MV/cm)和片电阻(200 Ω/□)；c，击穿电压与截止频率的关系。

为了证实电子元器件具有广泛的应用前景，该团队还初步验证了元器件在信号调制器上的应用（图4）。元器件对信号的精确调控可以为通信通道的超密集分布提供一个平台，使大规模的太赫兹无线网络成为可能。另外，与传统器件相比，电子元器件表现出了优越的动态性能，表明电子元器件在恶劣条件下、高压和高速条件下具有良好的开关性能。这些结果显示出电子元器件在太赫兹应用方面的巨大潜力。

图 4. 基于电子元器件的高性能太赫兹数据发射器。

新型的电子元器件能够克服传统半导体器件的局限性，可将电子器件的性能扩展到更高的速度、更大的电压和更高的效率，而太赫兹波的应用也能缩小电学与光学之间的差距。然而如何将电子元器件的结构拓展到各种电路结构上，需要进行更深入的研究。电子元器件的概念可以广泛应用于各种材料系统，实现各种器件，如整流器和增益器件，从互补型金属氧化物半导体到二维材料，其性能将远远超过传统电子领域的最先进水平。

黄森，中国科学院微电子研究所，研究员，主要从事高性能GaN基电力电子和射频微波器件；Si基GaN智能功率集成电路；III族氮化物半导体电子器件的先进制备工艺，表征技术及器件物理等研究。

[1] Mohammad Samizadeh Nikoo, Elison Matioli. Electronic metadevices for terahertz applications. Nature 614, 451 (2023).

[2] del Alamo, J. A. Nanometre-scale electronics with III–V compound semiconductors. Nature 479, 317 (2011).

[3] Chau, R., Doyle, B., Datta, S., Kavalieros, J. & Zhang, K. Integrated nanoelectronics for the future. Nat. Mater. 6, 810 (2007).

[4] Shen, P. C. et al. Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors. Nature 593, 211(2021).

[5] Sengupta, K., Nagatsuma, T. & Mittleman, D. M. Terahertz integrated electronic and hybrid electronic–photonic systems. Nat. Electron. 1, 622 (2018).

[6] Samizadeh Nikoo, M. et al. Nanoplasma-enabled picosecond switches for ultrafast electronics. Nature 579, 534 (2020).

[7] Mehdi, I., Siles, J. V., Lee, C. & Schlecht, E. THz diode technology: status, prospects, and applications. Proc. IEEE 105, 990 (2017).

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为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。

中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。

专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。

主    任：吴义政， 复旦大学

副主任：杨海涛，中科院物理所

一、传感与探测方向

召集人：柴国志

委   员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞

二、量子精密测量方向

召集人：荣星

委   员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为

三、新型信息载体与技术方向

召集人：黄元

委   员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星

四、微波与太赫兹物理与技术方向

召集人：孙亮

委   员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔

五、光子与光电子学方向

召集人：肖云峰

委   员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震

六、功率半导体物理与器件方向

召集人：孙钱

委   员：黄森、江洋、周弘、王俊

七、材料物理方向

召集人：于浦

委   员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨

八、低温物理与技术方向

召集人：金魁

委   员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊

九、能量转化、存储与传输方向

召集人：禹习谦

委   员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯

十、极端条件物理与技术方向

召集人：吉亮亮

委   员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚

END

设计：陈   龙

排版：陈   龙

美编：张   悦

主编：吴义政

副主编：杨海涛

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