▲第一作者：Mohammad Samizadeh Nikoo
通讯作者：Mohammad Samizadeh Nikoo、Elison Matioli
通讯单位：苏黎世联邦理工学院、瑞士联邦理工学院（洛桑）
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05595-z
电子学的发展在很大程度上依赖于降尺度来满足对更快、高度集成器件的持续需求。然而，随着沟道长度的减小，经典电子器件面临着阻碍材料充分发挥其潜力并最终实现进一步小型化的根本问题。例如，通过隧道结的载流子注入主导了沟道电阻，而高寄生电容则极大地限制了最大工作频率。此外，这些超大规模的器件由于极高的电场只能维持几伏特，这限制了它们的最大传输功率。1.本工作打破了这些传统的限制，提出了电子超材料器件的概念，其中射频场的微观操纵导致了非凡的电子特性。2.器件在深亚波长尺度集体电磁相互作用的静电控制基础上工作，作为控制二极管和晶体管等传统器件中电子流动的替代方案。这使得一类截止频率品质因数远远超过十太赫兹的新型电子器件能够记录高电导值、极高的击穿电压和皮秒开关速度。3.这项工作为下一代超快半导体器件奠定了基础，并提出了一种新的范式，潜在地弥合了电子和光学之间的鸿沟。
▲图1. 电子超材料器件的概念是基于射频场的微观操纵，导致超常的电学特性
1、图1a为金属-绝缘体-半导体(MIS)结构，其中顶层金属与厚度为d0、电阻率为ρ的半导体层之间夹有厚度为d的绝缘屏障。如图1c所示，通过在顶部金属上形成不连续，从一个端口激励结构，并通过电阻匹配负载终止另一个端口，激发的亚波长模式将电场限制在间隙(g)附近。在这种情况下，微波或太赫兹波可以被限制在比其波长短得多的微米和纳米尺度(图1d)。2、接下来本工作展示了完美电导体两侧的简单直间隙被长度与λsub相当的窄条纹阵列所代替的情形(图1e)。这种金属织构可以与亚波长模式相互作用，并在器件布局上操纵射频场，从而在器件形状因子中产生特殊的电子特性。这就是电子超材料器件的原理。3、图1f展示了条纹宽度为0.4 μm、条纹长度为3.4 μm的超材料器件在8 nm薄势垒处的模拟Ez，显示出与直缝器件截然不同的图案。这种对电场图案的亚波长操纵可以显著改变器件的电子特性，并在这种情况下，导致从终端1到终端2的信号传输。如图1g所示，直间隙器件的Ez在间隙附近有很强的不连续性，这导致终端上有很大的电势降，阻碍了信号的有效传输。然而，超材料器件在条纹末端表现出几乎为零的Ez，从而产生理想的金属-半导体耦合。4、如图1i所示，对于直间隙器件，电流仅被限制在间隙两侧近似λsub内。超材料器件(图1j)表现出更明显的电流密度限制，导致相当低的损耗，这使得超材料器件具有非常高的传输。1、本工作在高电子迁移率的InAlN/GaN平台上实现了工作在微波、毫米波和太赫兹波段的不同电子超材料器件。如图2a所示，基于微波、毫米波和太赫兹频段的双端口复散射参数测量对器件进行了表征(图2b)。2、对于具有8条条纹(图2c的插图)的太赫兹电子超材料器件，从高达1 THz的散射参数测量中提取的ON态电阻(RON)和OFF态电容(COFF)显示出18 THz的极高截止频率FOM，与仿真结果(图2c)吻合得很好。图2d在COFF-RON平面上对不同条纹数的微波、毫米波和太赫兹超材料器件进行了测试，其fCO值远高于传统器件。3、对传统器件进行缩放，以相同的速率降低RON和增加COFF，使fCO保持不变。超材料器件通过进一步减小电阻来打破这种平衡，从而平衡了COFF的线性增加，并导致显著较高的fCO。1、图3a为超材料器件(基于较高频率的散射参数测量)与传统器件相比的接触电阻与总ON态电阻的关系。电子超材料器件可以超越隧道结，并且在超材料器件工作在太赫兹频率的情况下，实现了低于20 Ω μm的极低接触电阻。2、器件还表现出非常低的总开态电阻(RON)值，接近2D沟道半导体器件中电阻的量子极限。如此低的电阻不仅可以实现高性能的太赫兹开关，还可以在三端器件形状因子中实现具有非常大跨导的太赫兹放大器。3、图3b为超材料器件的比电导(GSP)与击穿电压的关系。比电导定义为电导(G)除以通道面积。在半导体器件中，载流子密度和电子迁移率与临界电场一起在电导和击穿电压之间进行了基本的权衡。在横向器件中，这种折衷由方块电阻、接触电阻和临界电场决定。4、图3c为电子超材料器件的击穿电压随截止频率FOM的变化曲线，可以看出VBR×fCO相对于传统器件提高了近两个数量级。这解决了太赫兹电子学的一个关键挑战，因为传统的太赫兹器件只能处理几伏特的极低电压，而截止频率FOM为18 THz的电子超材料器件可以承受30 V。
▲图4. 采用电子超材料器件的高性能太赫兹数据发射器
1、为了展示电子超材料器件的一个应用，本工作展示了一个调制器将电信号映射到太赫兹载波上，这表明了超大容量通信链路的潜力。如图4a所示，在双端方案中，数据信号被应用于集成共面波导的超材料器件的一个端口。在器件的第二个端口注入太赫兹连续波。数据信号控制超材料器件的状态，相应地改变太赫兹波的反射。反射波经定向耦合器与入射载波分离后进入相干太赫兹接收机，将信号下变频至中频。2、图4b为不同载波频率的接收信号，图4c为520.4 GHz信道的眼图。图4d所示的对应光谱表明，超材料器件的精确调制可以为通信信道的超密集分配提供平台，从而实现大规模太赫兹无线网络。本工作在非常高的数据流速率下考察了系统的调制效率。3、数据信号由正弦源代替，正弦源代表连续的'01'序列。相对于微机电系统(MEMS)、相变材料和二维忆阻器等其他技术，超快低抖动开关动态是超材料器件概念实现的太赫兹开关的重要优势。电子超材料器件实现的高速调制表明其具有皮秒级的开关能力。测量的速度目前受到最先进的实验装置的限制。本工作的结果展示了太赫兹应用的巨大潜力，并为进一步研究电子超材料器件的极限开关时间开辟了途径。4、本文的工作表明，电子超材料器件挑战了传统半导体器件的局限性，将电子器件的操作扩展到更高的速度、更大的电压和更高的效率。本文所展示的超材料器件太赫兹开关的高性能为超快电子学提供了巨大的潜力，可以实现覆盖整个太赫兹波段的超高速电信系统。更一般地说，电子超材料器件概念可以在任何材料系统上实现各种功能器件，如增益元件和整流器，从互补金属氧化物半导体到二维材料，性能远远超过经典电子学中的最先进水平。https://www.nature.com/articles/s41586-022-05595-z更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。