由激光驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)計(jì)，從理論上可以實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有光電導(dǎo)器件更高的速度和電壓。如果這種小型化開關(guān)能集成到衛(wèi)星中，便可以實(shí)現(xiàn)超越5G的信號(hào)傳輸速度。

目前，該項(xiàng)技術(shù)正由勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）和伊利諾伊大學(xué)香檳分校（UIUC）聯(lián)合研發(fā)。研發(fā)過程中，研究團(tuán)隊(duì)利用高功率激光器在極端電場(chǎng)下，在基礎(chǔ)材料氮化鎵產(chǎn)生了電子電荷云。

在普通半導(dǎo)體中，電子會(huì)隨著施加電場(chǎng)增加而快速移動(dòng)，然而氮化鎵卻表現(xiàn)出一種稱為“負(fù)微分遷移率效應(yīng)”（negative differential mobility），其生成的電子云在云的前端減慢。研究人員稱，該效應(yīng)使得設(shè)備能夠在暴露于電磁輻射時(shí)，以接近1 THz的頻率產(chǎn)生極快的脈沖和高壓信號(hào)。

■新型半導(dǎo)體開關(guān)工作原理圖

LLNL工程師兼項(xiàng)目首席研究員Lars Voss談到：“該項(xiàng)目的目標(biāo)是構(gòu)建一種比現(xiàn)有技術(shù)更強(qiáng)大的設(shè)備，但可以在高頻狀態(tài)下運(yùn)行。它以一種獨(dú)特的模式工作，輸出脈沖實(shí)際上可以比激光輸入脈沖在時(shí)間上更短——幾乎就像是一個(gè)壓縮裝置。一個(gè)光子輸入經(jīng)過壓縮后以一個(gè)電子輸出，因此它可以潛在生成極高速和極高功率的射頻波形。”

假設(shè)論文中描述的開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)，它確實(shí)可以通過小型化并集成到現(xiàn)有的衛(wèi)星中，實(shí)現(xiàn)超越5G速度的通信系統(tǒng)。Lars Voss表示，這樣就能在遠(yuǎn)距離上以更快的速度進(jìn)行信號(hào)傳輸。他補(bǔ)充說，高功率和高頻技術(shù)是當(dāng)前固態(tài)設(shè)備尚未取代真空管的最后領(lǐng)域之一。

實(shí)現(xiàn)300GHz以上頻率的同時(shí)還能提供1W或更高輸出功率，使得新型緊湊型半導(dǎo)體技術(shù)在高速信號(hào)傳輸領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用需求。盡管一些高電子遷移率晶體管能夠達(dá)到高于300 GHz的頻率，但它們的能量輸出通常受到限制。

■a)顯示了使用 GaN 作為有源區(qū)的橫向光電導(dǎo)開關(guān)；b）由于氮化鎵中固有的負(fù)微分遷移率效應(yīng)，可以壓縮電子電流的脈沖寬度，同時(shí)可以提高其峰值

“這種新開關(guān)的建模和仿真將為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)，降低測(cè)試結(jié)構(gòu)成本，通過防止反復(fù)試驗(yàn)來提高實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的周轉(zhuǎn)率和成功率，并能夠正確解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?！盪IUC電氣和計(jì)算機(jī)工程系助理教授Shaloo Rakheja表示。他同時(shí)也是論文的第一作者。當(dāng)前，研究團(tuán)隊(duì)在LLNL正努力研發(fā)這種激光驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體開關(guān)。另外，研究人員也在探索其他材料的可能性，例如砷化鎵，以優(yōu)化開關(guān)的整體性能。

LLNL博士后研究員Karen Dowling則表示，在低電場(chǎng)下砷化鎵比氮化鎵更容易表現(xiàn)出負(fù)微分遷移率效應(yīng)，因此它是一個(gè)很好的模型，通過更容易進(jìn)行的測(cè)試來理解該效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果。據(jù)悉，該項(xiàng)目由Laboratory Directed Research and Development資助，目的是展示一種能在 100 GHz和更高功率下運(yùn)行的傳導(dǎo)裝置。未來，研究團(tuán)隊(duì)將檢查激光加熱對(duì)電子電荷云的影響，并在電光模擬框架下提高對(duì)設(shè)備操作的理解。