室温太赫兹设备为6G网络打开大门
产业动态 | 2025/9/19 14:17:33
日本名古屋大学的研究人员在全球范围内首次成功研制出完全由第四族半导体材料制成、可在室温下工作的共振隧穿二极管（RTD）。
室温操作RTD的研发意味着该设备可大规模部署于下一代无线通信系统。仅使用无毒第四族半导体材料也支持更可持续的制造工艺。这项研究标志着太赫兹无线元件向实现前所未有的速度、数据处理能力和卓越能效迈出关键一步。
论文通讯作者、名古屋大学工程研究生院的柴山圣尚博士表示："与含铟、砷等有毒稀有元素的第三五族铟镓砷基RTD相比，第四族化合物RTD更安全、成本更低，且在创建集成生产工艺方面具有优势。"该研究成果已发表于《ACS应用电子材料》期刊。
研究人员长期致力于突破第六代（6G）蜂窝网络所需的高速海量数据传输技术瓶颈。一种颇具前景的解决方案是利用太赫兹波进行无线通信——这种电磁波每秒振动一万亿次，能实现超高速数据传输。但该技术要实现消费级应用仍面临诸多技术挑战。
RTD的核心奥秘在于其双势垒结构：电子或空穴穿过仅几个原子厚的不同半导体材料层。这些材料层主要采用含铟、砷等有毒稀有元素的第三五族铟镓砷基材料。
该团队先前研究中曾使用纯第四族材料（具体为锗锡（GeSn）和锗硅锡（GeSiSn）合金）制备出p型RTD，但该二极管仅在约-263°C的极低温环境下工作。由于消费电子和无线系统无法实现这种冷却水平，该设备此前仅停留在实验室阶段。
柴山团队如今成功开发出仅使用第四族材料、在约27°C室温下工作的p型RTD。这一重大改进为太赫兹半导体设备的广泛应用开辟了新前景。
研究团队通过在材料层形成过程中引入氢气实现突破。他们测试了三种方案：
最终发现第三种方案可抑制层间岛状生长和混合，形成平整有序的双势垒结构。柴山博士强调："若层间发生混合，RTD将无法工作。层内存在缺陷时，电子会通过更易路径隧穿导致漏电流。必须减少漏电流才能产生RTD的核心特性——负微分电阻效应。"
室温操作RTD的研发意味着该设备可大规模部署于下一代无线通信系统。仅使用无毒第四族半导体材料也支持更可持续的制造工艺。这项研究标志着太赫兹无线元件向实现前所未有的速度、数据处理能力和卓越能效迈出关键一步。
论文通讯作者、名古屋大学工程研究生院的柴山圣尚博士表示："与含铟、砷等有毒稀有元素的第三五族铟镓砷基RTD相比，第四族化合物RTD更安全、成本更低，且在创建集成生产工艺方面具有优势。"该研究成果已发表于《ACS应用电子材料》期刊。
太赫兹波与量子设备
研究人员长期致力于突破第六代（6G）蜂窝网络所需的高速海量数据传输技术瓶颈。一种颇具前景的解决方案是利用太赫兹波进行无线通信——这种电磁波每秒振动一万亿次，能实现超高速数据传输。但该技术要实现消费级应用仍面临诸多技术挑战。
实现太赫兹通信的核心元件是RTD。这种量子器件通过负微分电阻效应工作，这种反直觉特性表现为电压增加时电流反而减小。在精心设计的电路中使用时，该特性可使二极管维持高频振荡，否则电损耗会导致振荡衰减。
突破实验室限制
RTD的核心奥秘在于其双势垒结构：电子或空穴穿过仅几个原子厚的不同半导体材料层。这些材料层主要采用含铟、砷等有毒稀有元素的第三五族铟镓砷基材料。
该团队先前研究中曾使用纯第四族材料（具体为锗锡（GeSn）和锗硅锡（GeSiSn）合金）制备出p型RTD，但该二极管仅在约-263°C的极低温环境下工作。由于消费电子和无线系统无法实现这种冷却水平，该设备此前仅停留在实验室阶段。
柴山团队如今成功开发出仅使用第四族材料、在约27°C室温下工作的p型RTD。这一重大改进为太赫兹半导体设备的广泛应用开辟了新前景。
研究团队通过在材料层形成过程中引入氢气实现突破。他们测试了三种方案：
- 对两个GeSiSn层和三个GeSn层同时引入氢气
- 不引入氢气
- 仅对三个GeSn层引入氢气
最终发现第三种方案可抑制层间岛状生长和混合，形成平整有序的双势垒结构。柴山博士强调："若层间发生混合，RTD将无法工作。层内存在缺陷时，电子会通过更易路径隧穿导致漏电流。必须减少漏电流才能产生RTD的核心特性——负微分电阻效应。"
本文来源：名古屋大学