全球首个无半导体的微电子器件问世 导电性能增加10倍

近日，加利福尼亚大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）的工程师利用超材料（metamaterials）研发出世界上首个无半导体的光控微电子器件，该电子器件仅在低电压、低功率激光的激发下，导电性能相比传统增加10倍。该技术有利于制造更快、更高功率的微电子器件，并有望制造更高效的太阳能电池板。

该研究发表于11月4日的国际期刊《Nature Communications》。

现有的传统微电子器件，如晶体管等，其性能最终都会受到其构成材料性能的限制。例如，半导体本身的性质限制了器件的导电性或电子流。因为半导体有所谓的带隙，这就意味着需要施加一定的外部能量来促使电子跃过带隙。此外，电子速度也是有限制的，因为当电子通过半导体时，总是会与半导体内部的原子发生相互碰撞。

UC San Diego电气工程学教授丹·西文皮珀（Dan Sievenpiper）带领的应用电磁学小组（AppliedElectromagnetics Group）探索了利用空间自由电子替代半导体的方法来克服传统电子器件的局限性。该研究的第一作者易卜拉辛·佛拉狄（EbrahimForati）说：“并且，我们希望在微观上实现。“

然而，从材料中释放电子的过程很有挑战性。这个过程要么需要施加高电压（至少100伏特）以及大功率紫外激光，要么需要极高的温度（超过1000华氏温度），这在微米和纳米级的电子器件上是不切实际的。

无半导体微电子器件（左上）及其上的Au超颖表面（右上，下）的扫描电子显微镜（SEM）图像。图片来源：UC San Diego Applied Electromagnetics Group

为了应对这一挑战，西文皮珀团队设计了一个可以从材料中释放电子的光电放射微型器件，并且释放条件并没那么苛刻。

该器件由硅片基底、二氧化硅隔层以及顶部一层称为“超颖表面”（metasurface）的工程表面组成。超颖表面由平行的条状Au（金）阵列以及其上的蘑菇状Au纳米结构阵列组成。

Au超颖表面的设计目的是，当同时施加直流低电压（低于10伏特）以及低功率红外激光时，超颖表面会产生具有高强度电场的“热点”（hot spots），这些“热点”的能量足以将电子从金属中“拉”出来，从而释放自由电子。

器件测试结果显示，其导电率增强了10倍之多。易卜拉辛说：“这意味着可以操控更多的自由电子”。

西文皮珀说： “当然，这并不会取代所有的半导体器件，但是对于某些特定应用来说，这可能是最佳方案，比如高频率或高功率器件等。”

研究者称，目前这个特殊的Au超颖表面只是概念验证性设计，针对不同类型的微电子器件，还需要进行不同超颖表面的设计及优化。研究者称，下一步还需了解这些器件的扩展性以及其性能的局限性。”

除了电子器件应用方面，该团队还在探索这项技术的其他应用，例如光化学，光催化等，以期能够实现新型光伏器件或环境应用器件。