特別說明：本文由學研匯技術 中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。研究背景
當今社會的發展離不開電子技術的不斷突破，而電子技術的發展很大程度上依賴于縮小規模，以滿足對更快和高度集成設備的持續需求。
關鍵問題
隨著通道長度的縮短，傳統電子設備面臨著阻礙充分發揮材料潛力并最終進一步小型化的根本問題例如，通過隧道結注入的載流子控制了通道電阻，而高寄生電容極大地限制了最大工作頻率。此外，由于極高的電場，這些超大尺寸的器件只能容納幾伏電壓，這限制了它們的最大傳輸功率。
新思路
有鑒于此，瑞士電氣與微工程研究所Mohammad Samizadeh Nikoo等人挑戰了傳統的限制，提出了電子元器件的概念，其中射頻場的微觀操作導致了非凡的電子特性。該器件在深亞波長尺度的集體電磁相互作用的靜電控制基礎上運行，作為控制二極管和晶體管等傳統器件中電子流動的替代方案。這使得一類截止頻率品質因數遠遠超過十太赫茲的新型電子器件能夠記錄高電導值、極高的擊穿電壓和皮秒開關速度。這項工作為下一代超快半導體器件奠定了基礎，并提出了一種新的范式，有可能彌合電子和光學之間的差距。
作者展示了金屬-絕緣體-半導體(MIS)結構，通過推導得到微波或太赫茲波可以限制在比其波長短得多的微米和納米級。基于此，作者提出了電子元器件的概念。作者在高電子遷移率InAlN/GaN平臺上實現了不同電子元器件。基于微波、毫米波和太赫茲頻率下雙端口復散射參數測量對器件進行表征。3、探究了電子元器件的接觸電阻、量子電阻和擊穿特性作者將接觸電阻與元器件的總on態電阻與傳統器件進行比較，發現電子元器件可以優于隧道結，獲得了接近2D通道半導體器件中的量子極限電阻，且電子元器件的擊穿特性優于文獻中最好的傳統器件。作者演示了一個調制器，顯示了超高容量通信鏈路的潛力。電子元器件實現的高速調制表明了它們的皮秒開關能力。1、提出電子元器件概念，獲得了超越傳統電子學的非凡特性作者提出了電子元器件的概念，其中射頻場的微觀操縱導致了超出傳統電子學所實現的非凡特性。超結構使光學發生了革命性的變化，實現了異乎尋常的介質，表現出超越材料性質的功能。在高電子遷移率InAlN/GaN平臺上實現了高性能太赫茲開關，其在多個方面優于經典半導體器件中的最先進技術，如截止頻率FOM，電導和擊穿電壓。作者發現電子元器件可以優于隧道結，在太赫茲頻率下工作的元器件，已經實現了低于20 Ω μm的非常低的接觸電阻。該器件還顯示出非常低的總on態電阻(RON)值，接近2D通道半導體器件中的量子極限電阻。作者演示了電子元器件在超高容量電信的高速太赫茲調制器和混頻器中的應用。
技術細節
作者展示了金屬-絕緣體-半導體(MIS)結構，其中厚度為d的絕緣屏障夾在頂部金屬和厚度為d0和電阻率ρ的半導體層之間。通過推導可以得到：通過在頂部金屬上形成不連續面，從一個端口激發結構，并通過電阻匹配負載終止另一個端口，激發的亞波長模式約束了靠近間隙(g)的電場。在這種情況下，微波或太赫茲波可以限制在比其波長短得多的微米和納米級。基于此，作者提出了電子元器件：即完美導體兩側之間的簡單直縫被一組長度與λ子相當的窄條紋所取代。這種金屬紋理可以與亞波長模式相互作用，并在設備布局上操縱射頻場，從而在設備形狀因子中產生特殊的電子特性。
作者在高電子遷移率InAlN/GaN平臺上實現了用于微波、毫米波和太赫茲波段的不同電子元器件。基于微波、毫米波和太赫茲頻率下的雙端口復散射參數測量對器件進行了表征，揭示了電子元器件的兩個特性：1、器件性能在更高頻率時變得更好；2、增加條帶數量可以提高設備性能。從射頻場在開和關狀態下的微觀模式以及開關行為可以看出，設備開發緊湊的電路模型是極有可能的。
傳統的超大尺寸半導體器件的局限性之一是歐姆接觸電阻大。在超大尺寸器件的情況下，接觸電阻完全主導了半導體通道。作者將接觸電阻與元器件的總on態電阻與傳統器件進行比較，發現電子元器件可以優于隧道結，在太赫茲頻率下工作的元器件，已經實現了低于20 Ω μm的非常低的接觸電阻。該器件還顯示出非常低的總on態電阻(RON)值，接近2D通道半導體器件中的量子極限電阻。這樣的低電阻不僅可以在實現高性能太赫茲開關方面發揮關鍵作用，而且還可以在三端器件形式因素中實現具有非常大跨導的太赫茲放大器。作者還探究了電子元器件的擊穿特性，所提出的元器件性能優于文獻中最好的傳統器件，使器件性能接近由半導體材料決定的理想器件極限。
為了展示電子元器件的一種應用，作者演示了一個調制器，將電信號映射到太赫茲載波上，這顯示了超高容量通信鏈路的潛力。元器件的精確調制可以為通信信道的超密集分配提供一個平臺，從而實現大規模太赫茲無線網絡。系統在非常高的流數據速率下的調制效率表明在非常高的數據速率下的平坦響應，展示了太赫茲波段的操作。由電子元器件實現的高速調制表明了它們的皮秒開關能力。測量的速度目前受到最先進的實驗裝置的限制。
展望
總之，本文介紹的工作表明，電子元器件挑戰了傳統半導體器件的局限性，并將電子器件的操作擴展到更高的速度、更大的電壓和更高的效率。本文中展示的元器件太赫茲開關的高性能可能對超快電子器件產生巨大影響，并可以使覆蓋整個太赫茲波段的超高速電信系統成為可能。更一般地說，電子元器件概念可以在任何材料系統上實現各種功能器件，例如增益元件和整流器，從互補金屬氧化物半導體到2D材料，其性能遠遠超過經典電子產品中的最先進技術。Samizadeh Nikoo, M., Matioli, E. Electronic metadevices for terahertz applications. Nature 614, 451–455 (2023).DOI：10.1038/s41586-022-05595-zhttps://doi.org/10.1038/s41586-022-05595-z
