Wissenschaftler der EPFL haben einen neuen Ansatz für die Elektronik erdacht, der die Gestaltung von Metastrukturen auf der Ebene der Subwellenlängen beinhaltet. Sie könnte die nächste Generation von Hochgeschwindigkeitsgeräten für den Austausch massiver Datenmengen einleiten, mit Anwendungen in der 6G-Kommunikation und darüber hinaus.
Bisher war die Fähigkeit, schnellere elektronische Geräte herzustellen, auf ein einfaches Prinzip zurückzuführen: die Größe von Transistoren und anderen Bauteilen zu verringern. Dieser Ansatz stößt jedoch an seine Grenzen, da die Vorteile der Miniaturisierung durch Nachteile wie Widerstand und geringere Ausgangsleistung aufgewogen werden.
Elison Matioli vom Labor für Leistungshalbleiterbauelemente ( POWERlab ) an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik der EPFL erklärt, dass eine weitere Miniaturisierung daher keine praktikable Lösung zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Elektronik ist. "In neueren Artikeln werden immer kleinere Bauelemente beschrieben, aber im Fall von Galliumnitridmaterialien wurden die frequenzmäßig besten Bauelemente bereits vor einigen Jahren veröffentlicht", sagt er. "Danach gibt es wirklich nichts Besseres mehr, denn mit abnehmender Größe der Bauelemente stoßen wir an fundamentale Grenzen. Dies gilt unabhängig vom verwendeten Material".
Als Antwort auf diese Herausforderung haben Elison Matioli und der Doktorand Mohammad Samizadeh Nikoo einen neuen Ansatz für die Elektronik entworfen, der diese Grenzen überwinden und zu einer neuen Klasse von Terahertz-Geräten führen könnte. Anstatt ihr Gerät zu schrumpfen, ordneten sie es neu an, insbesondere indem sie gemusterte Kontakte, sogenannte Metastrukturen, in Abständen unterhalb der Wellenlänge auf einen Halbleiter aus Galliumnitrid und Indium-Galliumnitrid ätzten. Diese Metastrukturen ermöglichen es, die elektrischen Felder im Inneren des Bauelements zu steuern und so außergewöhnliche Eigenschaften zu erzielen, die in der Natur nicht vorkommen.
Und vor allem kann das Gerät bei elektromagnetischen Frequenzen im Terahertz-Bereich (zwischen 0,3 und 30 THz) arbeiten, was deutlich schneller ist als die Gigahertz-Wellen, die in der heutigen Elektronik verwendet werden. Sie können daher wesentlich größere Informationsmengen für eine bestimmte Zeit oder ein bestimmtes Signal transportieren, was ihnen ein großes Potenzial für Anwendungen in der 6G-Kommunikation und darüber hinaus verleiht.
"Wir haben herausgefunden, dass die Manipulation von Hochfrequenzfeldern im mikroskopischen Maßstab die Leistung elektronischer Geräte erheblich verbessern kann, ohne auf eine starke Verkleinerung zurückgreifen zu müssen", erklärt Mohammad Samizadeh Nikoo, der Hauptautor eines Artikels über diesen Durchbruch, der kürzlich in der Zeitschrift Nature erschienen ist.
Hohe Frequenzen und niedrige Widerstände aufnehmen
Da Terahertz-Frequenzen zu schnell sind, um von der heutigen Elektronik bewältigt zu werden, und zu langsam für optische Anwendungen, wird dieser Bereich oft als "Terahertz-Lücke" bezeichnet . Die Verwendung von Metastrukturen im Subwellenlängenbereich zur Modulation von Terahertz-Wellen ist eine Technik aus der Welt der Optik. Die Methode von POWERlab ermöglicht jedoch ein noch nie dagewesenes Maß an elektronischer Kontrolle, im Gegensatz zum optischen Ansatz, bei dem ein externer Lichtstrahl auf ein bestehendes Muster projiziert wird.
"Bei unserem elektronikbasierten Ansatz kommt die Fähigkeit, induzierte Hochfrequenzen zu steuern, aus der Kombination von gemusterten Kontakten im Subwellenlängenbereich und der Steuerung des elektronischen Kanals mit einer angelegten Spannung. Das bedeutet, dass wir den kollektiven Effekt innerhalb des Meta-Geräts verändern können, indem wir Elektronen induzieren (oder nicht induzieren)", sagt Elison Matioli.
Während die fortschrittlichsten Geräte auf dem heutigen Markt Frequenzen von 2 THz erreichen können, können die Meta-Geräte von POWERlab bis zu 20 THz erreichen. Ebenso neigen aktuelle Geräte, die im Terahertz-Bereich arbeiten, dazu, bei Spannungen unter 2 Volt auszufallen, während Meta-Geräte mehr als 20 Volt aushalten können. Dies ermöglicht die Übertragung und Modulation von Terahertz-Signalen mit einer Leistung und Frequenz, die weit über das hinausgehen, was derzeit möglich ist.
Integrierte Lösungen
Wie Mohammad Samizadeh Nikoo erklärt, ist die Modulation von Terahertz-Wellen entscheidend für die Zukunft der Telekommunikation, da mit dem steigenden Datenbedarf von Technologien wie autonomen Fahrzeugen und 6G-Mobilkommunikation die Grenzen heutiger Geräte schnell erreicht werden. Die im POWERlab entwickelten elektronischen Meta-Geräte könnten als Grundlage für integrierte Terahertz-Elektronik dienen, indem sie kompakte Hochfrequenz-Chips herstellen, die insbesondere in Smartphones bereits eingesetzt werden können.
"Diese neue Technologie könnte die Zukunft der Ultrahochgeschwindigkeitskommunikation verändern, da sie mit den bestehenden Prozessen der Halbleiterherstellung kompatibel ist. Wir haben eine Datenübertragung von bis zu 100 Gigabit pro Sekunde bei Terahertz-Frequenzen nachgewiesen, was bereits zehnmal mehr ist als das, was wir heute mit 5G haben", sagt Mohammad Samizadeh Nikoo.
Um das Potenzial des Ansatzes voll auszuschöpfen, wird laut Elison Matioli der nächste Schritt darin bestehen, weitere elektronische Komponenten zu entwickeln, die bereit sind, in Terahertz-Schaltkreise integriert zu werden.
"Integrierte Terahertz-Elektronik ist der nächste Schritt in eine vernetzte Zukunft. Unsere elektronischen Meta-Geräte sind jedoch nur ein Baustein unter vielen. Wir müssen weitere integrierte Terahertz-Komponenten entwickeln, um das volle Potenzial dieser Technologie auszuschöpfen. Das ist unsere Vision und unser Ziel".
Referenzen
Samizadeh Nikoo, M., Matioli, E. Electronic metadevices for terahertz applications. Nature 614, 451’455 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586’022 -05595-z
