最新《Nature》：纳米等离子体助力超快电子的皮秒级开关！

本文提出了一种基于纳米级等离子体的新型集成全电子器件，该器件能够在很宽的功率范围内实现皮秒级的电信号切换，除了其简单性和较低的制造成本外，其性能还超过了当前的超高速电子器件。为未来的芯片级超快电子和太赫兹信号源提供了新的视野。

在量子测量、成像和感测技术，先进的生物处理和超高的数据速率通信中超宽带信号和太赫兹波广泛应用，引起了人们对超快电子器件的广泛关注。在此类应用中，电子开关的高速操作极具挑战性，尤其是在需要高振幅输出信号的情况下。例如，场效应和双极结型器件具有良好的可控性和优异的性能，但它们相对于其导通状态电流的相对较大的输出电容实质上限制了它们的开关速度。近日，瑞士洛桑联邦理工大学ElisonMatioli教授（通讯作者）演示了一种基于纳米级等离子体的新型集成全电子器件，该器件能够在很宽的功率范围内实现皮秒级的电信号切换。相关论文以题为“Nanoplasma-enabled picosecond switches for ultrafast electronics”于2020年3月25日发表在Nature上。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2118-y

基于III-V化合物半导体的纳米尺度晶体管，例如：例如砷化镓（GaAs），砷化铟（InAs）和磷化铟（InP），是许多高速和高频电子系统的核心。由于它们的高电子迁移率，这些器件在太赫兹范围内表现出非常高的小信号截止频率。然而，晶体管的高频，大信号性能仍然是一个挑战，因为它受到输出电容Cout，电子饱和速度和临界电场的严重限制。具有饱和电流Imax的晶体管（图1a）的最大开关速度仅限于：

其中Z是负载电阻，v是漏源电压，t是时间。如图1d所示，约翰逊的品质因数（JFOM）表示GaAs和InP的开关速度甚至小于1 V ps-1，这是两种具有很高电子迁移率的半导体，也是超快电子学的主要候选者。如等式（2）所述，最大开关速度为1 V ps-1对应于Z=50Ω在1T Hz时的2.5mW的输出功率。这种限制不仅可以在基于晶体管的功率放大器的性能中看到，而且在其他基于固态的方法的性能中也可以看出。

等离子装置，例如气体放电管，具有接近理想的导通状态，提供极高的电流密度，并且不表现出Cout限制的开关速度。但是，这些设备的动态性能受到其相对较低的电场和两个端子之间相当大的电子散射的严重限制，这导致了纳秒级转换时间。作者通过使用在大气中形成纳米等离子体来实现超快开关，该开关克服了固态电子器件和大规模等离子体开关的速度限制。纳米等离子体的小体积中非常高的电场导致超快的电子转移，从而具有极短的时间响应。因此，设备实现了超快的开关速度，高于每皮秒10伏，这比场效应晶体管大了约两个数量级，比常规电子开关快了十倍以上。同时测量了非常短的上升时间，下降到5皮秒，这受采用的测量设置的限制。通过将这些器件与偶极天线结合在一起，发射功率频率为600mV的高功率太赫兹信号，远大于致密型固态电子技术的先进水平。

图1.固态电子器件的开关速度限制

图2. 纳米等离子开关的概念 

图3.纳米等离子开关的实现

图4. 利用纳米等离子开关产生脉冲

总之，本文提出了一种可集成的设备概念，该概念可实现高幅度信号的皮秒开关。除了其简单性和较低的制造成本外，其性能还超过了当前的超高速电子器件。通过适当的电路设计，纳米等离子体设备可以生成超快的高功率阶跃和脉冲信号，这是超宽带系统的关键要素。同时所提出的设备的高性能和简单性为未来的芯片级超快电子和太赫兹信号源提供了新的视野，并将其应用于通信，成像，传感和生物医学等领域。（文：Caspar）