突破傳統半導體元件的限制──高功率兆赫波奈米元件

　　「兆赫波」（terahertz，THz）是指頻率在10¹² Hz附近的「電磁波」（參考圖一），這個波段是介於微波與紅外線之間。這種電磁可以穿透紙張、衣服與牆壁，因此有很高的潛力應用於空氣污染檢測、安檢設備及醫療攝影系統。此外它還是一種非游離輻射，因此不會傷害人體。另外，它還可以乘載大量的資料，可用於通訊傳輸。目前5G技術所採用的是波段最高為數十GHz的毫米波，而下一個更高頻的波段就是兆赫波。因此，兆赫波的應用潛力無窮，但是由於其設備昂貴且笨重，因此目前實際上的應用不多。然而，近期《自然》雜誌所刊登，由瑞士的研究團隊所開發的「奈米電漿超快開關」的電子元件技術，帶來了曙光，或許可以改善這個狀況。

　　一般來說，要傳輸與「電」相關的訊號，可以採用兩種方式。第一種是利用導線來傳輸「電子」（或電流），而其相關的元件稱為「電子元件」。然而，由於物理上的限制，這樣的傳輸到了高頻，就會因為耗損太過嚴重，造成有效傳輸距離太短而無法使用。這時，就要改用電磁波（或光）來傳輸，其相關的元件稱為「光學元件」。而兆赫波剛好位於這兩者之間，因此電子與光學技術都可以用來產生及傳輸兆赫波。一般來說，兆赫波光學元件，都是昂貴且笨重的設備，但是卻能提供高功率的兆赫波源；而兆赫波電子元件，則正好相反，價格低且設備小，但是所製作出的兆赫波源功率偏低。所以，目前實際的應用，大都採用兆赫波光學元件。因此，如何製作出高功率的兆赫波電子元件，一直是科技人士努力的目標。

　　目前，高速電子元件大都使用三五族半導體，如砷化鎵、砷化磷、磷化銦等，作為原料來製造。例如，使用半導體製造出的電晶體去建構高速元件，如圖二之典型電路示意圖所示。這類電晶體在運作時會伴隨著一個輸出電容，因此在通過交流訊號（高頻訊號一般都是交流訊號）時，會對這個電容進行充放電，而充放電需要時間，而時間的長短決定了這個元件的最高工作速度。原則上，輸出電容越小，充放電速度就會越快，因此就能製造出在相同工作頻率下具有更高功率的元件。而輸出電容的大小，與元件的材質相關。根據學理，使用半導體材料所做的元件最多只能有1 V ps⁻¹的電壓上升率，因此越高頻的元件所能允許的最高電壓就越小，而電壓越小，元件的輸出功率就越低（參考圖三）。前述之電壓上升率還只是學理上的上限值，目前實際上所能製造出的兆赫波電子元件最高只達到0.2 V ps⁻¹，這就是過往技術無製造出高功率的兆赫波電子元件的主要原因。

　　如前述，只要降低輸出電容就可以設計出更高功率的元件。根據古典電磁學，材料的「介電常數」（dielectric constant）越小，用此材料製造出的電容就會越小。換言之，要製造高功率的高速電子元件，就要選擇低介電常數的材料作為原料。而什麼樣的材料介電常數最小呢?答案是「真空」，也就是甚麼東西都沒有（或接近沒有）。但是真空能製造電子元件嗎?答案是可以，真空管就是。即使大部分電子設備都是用半導體元件組成的今天，真空管並沒有消失。很多的高級音響為了產生更豐富優美的音色仍然使用真空管而非電晶體來製造。但是與小型電晶體相比真空管的體積大的多，因此要用真空管設計出高功率的兆赫波電子元件，體積只怕都會很大而不切實際。而要將真空技術直接用來製作小型的元件則有技術上的困難。既然不能用真空，那麼就用與真空介電常數接近的空氣（這兩者介電常數的差異小到可以忽略）來製作。最近的突破，就是依據這樣的思維發展出來的。

　　由於空氣不導電，所以沒辦法直接用來傳輸電訊號。因此，研究團隊將空氣轉換成電漿態，設計出了奈米電漿超快開關，如圖四（A）之示意圖所示。他們在氧化鋁基板上先鍍上20 nm的鈦之後再視狀況鍍上100 nm的金或鎢，形成金屬薄膜。然後利用「電子束微影」將薄膜中間切割出一道數十奈米到一微米不等的夾縫。換言之，這道夾縫將金屬膜分成兩個互相不連接的區域。若在空氣中將這兩區的金屬膜加上不同的電壓，當電壓差異超過某個臨界值（VTH）時，則產生的電場就會讓夾縫中的空氣游離產生電漿。而電漿中的電子也會受到這個電場的驅使而運動，藉此傳遞電訊號。換言之，電壓差小於VTH時夾縫中的空氣是絕緣體，大於VTH就轉變成導體，如圖四（B）之示意圖所示。

　　如果添加的是交流電壓，電壓差就會有時大有時小。當壓差小於VTH時夾縫中的空氣是絕緣體，因此不會有電流流過；然而當壓差上升到超過VTH時空氣轉換成導體，這時就會有電流流過；之後當壓差降回到VTH以下，空氣又變為絕緣體，這時電流又被阻斷。如此反覆進行便可操控交流電訊號。就像電晶體一樣，這樣的元件一樣會有輸出電容（這樣的結構本身就是一個平行板電容），所以它的運作極限一樣被這個電容限制，但是由於空氣的介電常數低於半導體，所以電容就小，因此在相同工作頻率下就可以有大的輸出功率。

　　研究團隊將奈米電漿超快開關放入一個LC振盪電路（L：電感，C：電容）中，並通入直流電壓。利用LC電路可以將直流電壓轉換成交流電壓的特性，並利用前述之開關操控訊號通過的時段，藉此產生出高電壓的脈衝訊號，如圖五之示意圖所示。這個訊號的半高寬為10 ps，因此屬於兆赫波的一種，且它的電壓上升率超過了傳統半導體元件所能給出的理論上限值：1 V ps⁻¹。實際上，目前最快的半導體元件只能提供0.2 V ps⁻¹的電壓上升率，因此提供的功率大概只有奈米電漿超快開關元件的1/15。換言之，在相同工作頻率下，這樣的元件可以產生出傳統半導體元件所無法達到的高功率電壓訊號。

　　除了脈衝訊號外，奈米電漿超快開關也可以用來產生連續變化的高功率兆赫波。例如，研究團隊將這種開關放入一個交流的RLC（R：電阻，L：電感，C：電容）震盪電路中，產生了頻率為109 GHz的連續高功率電訊號。此外，這樣的開關也可以製作在軟性基板（例如膠帶）上，製造出可折疊的高功率兆赫波電子元件。這樣的開關，也可以與傳統半導體元件，例如電晶體，結合去產生品質更好的電訊號。例如，利用這個開關速度極快的特性，結合波形產生器，就有可能產生出更完美的「方波」。這種高速開關也可以用於保護電路中，將異常的電訊號快速的排出電路中。總而言之，奈米電漿超快開關具有無窮的潛力，可應用於各式各樣的電子設備之中。

　　速度快、體積小、功率高，一直都是高速元件發展的目標。而傳統半導體元件受限於材料的物理性質，因此很難兼具這些特性。而奈米電漿超快開關技術，提供了曙光去克服這項缺陷。或許在不久的未來這樣的技術就會用在生活中的各式電子元件中，讓人們的生活更加便利。

1. M. S. Nikoo et al., Nature 579, 534 (2020).
2. https://phys.org/news/2020-03-nanoscale-device-high-power-terahertz.html.
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Terahertz_radiation.

註：本文獲得〝財團法人國立自然科學博物館文教基金會科普寫作網路平台〞審稿通過。