特别说明：本文由学研汇技术 中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。研究背景
当今社会的发展离不开电子技术的不断突破，而电子技术的发展很大程度上依赖于缩小规模，以满足对更快和高度集成设备的持续需求。
关键问题
随着通道长度的缩短，传统电子设备面临着阻碍充分发挥材料潜力并最终进一步小型化的根本问题例如，通过隧道结注入的载流子控制了通道电阻，而高寄生电容极大地限制了最大工作频率。此外，由于极高的电场，这些超大尺寸的器件只能容纳几伏电压，这限制了它们的最大传输功率。
新思路
有鉴于此，瑞士电气与微工程研究所Mohammad Samizadeh Nikoo等人挑战了传统的限制，提出了电子元器件的概念，其中射频场的微观操作导致了非凡的电子特性。该器件在深亚波长尺度的集体电磁相互作用的静电控制基础上运行，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。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，有可能弥合电子和光学之间的差距。
作者展示了金属-绝缘体-半导体(MIS)结构，通过推导得到微波或太赫兹波可以限制在比其波长短得多的微米和纳米级。基于此，作者提出了电子元器件的概念。作者在高电子迁移率InAlN/GaN平台上实现了不同电子元器件。基于微波、毫米波和太赫兹频率下双端口复散射参数测量对器件进行表征。3、探究了电子元器件的接触电阻、量子电阻和击穿特性作者将接触电阻与元器件的总on态电阻与传统器件进行比较，发现电子元器件可以优于隧道结，获得了接近2D通道半导体器件中的量子极限电阻，且电子元器件的击穿特性优于文献中最好的传统器件。作者演示了一个调制器，显示了超高容量通信链路的潜力。电子元器件实现的高速调制表明了它们的皮秒开关能力。1、提出电子元器件概念，获得了超越传统电子学的非凡特性作者提出了电子元器件的概念，其中射频场的微观操纵导致了超出传统电子学所实现的非凡特性。超结构使光学发生了革命性的变化，实现了异乎寻常的介质，表现出超越材料性质的功能。在高电子迁移率InAlN/GaN平台上实现了高性能太赫兹开关，其在多个方面优于经典半导体器件中的最先进技术，如截止频率FOM，电导和击穿电压。作者发现电子元器件可以优于隧道结，在太赫兹频率下工作的元器件，已经实现了低于20 Ω μm的非常低的接触电阻。该器件还显示出非常低的总on态电阻(RON)值，接近2D通道半导体器件中的量子极限电阻。作者演示了电子元器件在超高容量电信的高速太赫兹调制器和混频器中的应用。
技术细节
作者展示了金属-绝缘体-半导体(MIS)结构，其中厚度为d的绝缘屏障夹在顶部金属和厚度为d0和电阻率ρ的半导体层之间。通过推导可以得到：通过在顶部金属上形成不连续面，从一个端口激发结构，并通过电阻匹配负载终止另一个端口，激发的亚波长模式约束了靠近间隙(g)的电场。在这种情况下，微波或太赫兹波可以限制在比其波长短得多的微米和纳米级。基于此，作者提出了电子元器件：即完美导体两侧之间的简单直缝被一组长度与λ子相当的窄条纹所取代。这种金属纹理可以与亚波长模式相互作用，并在设备布局上操纵射频场，从而在设备形状因子中产生特殊的电子特性。
作者在高电子迁移率InAlN/GaN平台上实现了用于微波、毫米波和太赫兹波段的不同电子元器件。基于微波、毫米波和太赫兹频率下的双端口复散射参数测量对器件进行了表征，揭示了电子元器件的两个特性：1、器件性能在更高频率时变得更好；2、增加条带数量可以提高设备性能。从射频场在开和关状态下的微观模式以及开关行为可以看出，设备开发紧凑的电路模型是极有可能的。
传统的超大尺寸半导体器件的局限性之一是欧姆接触电阻大。在超大尺寸器件的情况下，接触电阻完全主导了半导体通道。作者将接触电阻与元器件的总on态电阻与传统器件进行比较，发现电子元器件可以优于隧道结，在太赫兹频率下工作的元器件，已经实现了低于20 Ω μm的非常低的接触电阻。该器件还显示出非常低的总on态电阻(RON)值，接近2D通道半导体器件中的量子极限电阻。这样的低电阻不仅可以在实现高性能太赫兹开关方面发挥关键作用，而且还可以在三端器件形式因素中实现具有非常大跨导的太赫兹放大器。作者还探究了电子元器件的击穿特性，所提出的元器件性能优于文献中最好的传统器件，使器件性能接近由半导体材料决定的理想器件极限。
为了展示电子元器件的一种应用，作者演示了一个调制器，将电信号映射到太赫兹载波上，这显示了超高容量通信链路的潜力。元器件的精确调制可以为通信信道的超密集分配提供一个平台，从而实现大规模太赫兹无线网络。系统在非常高的流数据速率下的调制效率表明在非常高的数据速率下的平坦响应，展示了太赫兹波段的操作。由电子元器件实现的高速调制表明了它们的皮秒开关能力。测量的速度目前受到最先进的实验装置的限制。
展望
总之，本文介绍的工作表明，电子元器件挑战了传统半导体器件的局限性，并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。本文中展示的元器件太赫兹开关的高性能可能对超快电子器件产生巨大影响，并可以使覆盖整个太赫兹波段的超高速电信系统成为可能。更一般地说，电子元器件概念可以在任何材料系统上实现各种功能器件，例如增益元件和整流器，从互补金属氧化物半导体到2D材料，其性能远远超过经典电子产品中的最先进技术。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
