Ultraschnelle Kommunikation dank elektronischer Metastrukturen

Bislang beruhte die Fähigkeit, elektronische Geräte schneller zu machen, auf einem einfachen Prinzip: der Verkleinerung von Transistoren und anderen Komponenten. Dieser Ansatz stösst jedoch an seine Grenzen, da die Vorteile der Verkleinerung durch nachteilige Effekte wie Widerstand und geringere Ausgangsleistung wieder aufgehoben werden.

Elison Matioli vom Power and Wide-band-gap Electronics Research Lab (POWERlab) der EPFL-Fakultät für Ingenieurwesen erklärt, dass eine weitere Miniaturisierung daher keine brauchbare Lösung ist, um die Leistung der Elektronik zu verbessern: «Es gibt immer wieder neue Veröffentlichungen, in denen immer kleinere Bauelemente beschrieben werden, aber im Falle von Materialien aus Galliumnitrid wurden die besten Bauelemente in Bezug auf die Frequenz bereits vor einigen Jahren veröffentlicht», sagt er, «danach gibt es wirklich nichts Besseres mehr, denn mit der Verkleinerung der Bauelemente stossen wir an grundlegende Grenzen. Das gilt unabhängig vom verwendeten Material.»

Als Antwort auf diese Herausforderung haben Matioli und sein Doktorand Mohammad Samizadeh Nikoo einen neuen Ansatz für die Elektronik entwickelt, der diese Einschränkungen überwinden und eine neue Klasse von Terahertz-Bauteilen ermöglichen könnte. Anstatt ihr Bauelement zu verkleinern, ordneten sie es neu an, indem sie vor allem gemusterte Kontakte, so genannte Metastrukturen, in Abständen unterhalb der Wellenlänge auf einen Halbleiter aus Galliumnitrid und Indiumgalliumnitrid ätzten. Diese Metastrukturen ermöglichen es, die elektrischen Felder im Inneren des Bauelements zu kontrollieren, was zu aussergewöhnlichen Eigenschaften führt, die in der Natur nicht vorkommen.

Entscheidend ist, dass das Gerät bei elektromagnetischen Frequenzen im Terahertz-Bereich (zwischen 0,3 und 30 THz) arbeiten kann – deutlich schneller als die Gigahertz-Wellen, die in der heutigen Elektronik verwendet werden. Sie können daher viel grössere Informationsmengen pro Signal oder Zeitspanne übertragen, was ihnen ein grosses Potenzial für Anwendungen in der 6G-Kommunikation und darüber hinaus verleiht.

«Wir haben herausgefunden, dass die Manipulation von Hochfrequenzfeldern auf mikroskopischer Ebene die Leistung elektronischer Geräte erheblich steigern kann, ohne dass ein aggressives Downscaling erforderlich ist», erklärt Samizadeh Nikoo, Erstautor eines kürzlich in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Artikels über diesen Durchbruch.

Hohe Frequenzen aufzeichnen, niedrigen Widerstand aufzeichnen

Da Terahertz-Frequenzen für die heutige Elektronik zu schnell und für optische Anwendungen zu langsam sind, wird dieser Bereich oft als «Terahertz-Lücke» bezeichnet. Die Verwendung von Metastrukturen im Subwellenlängenbereich zur Modulation von Terahertz-Wellen ist eine Technik, die aus der Welt der Optik stammt. Die POWERlab-Methode ermöglicht jedoch ein noch nie dagewesenes Mass an elektronischer Kontrolle, im Gegensatz zum optischen Ansatz, bei dem ein externer Lichtstrahl auf ein bestehendes Muster gerichtet wird.

«Bei unserem elektronikbasierten Ansatz ergibt sich die Fähigkeit zur Kontrolle der induzierten Funkfrequenzen aus der Kombination von Kontakten mit Subwellenlängenmustern und der Kontrolle des elektronischen Kanals durch angelegte Spannung. Das bedeutet, dass wir den kollektiven Effekt im Inneren der Metavorrichtung durch die Induktion von Elektronen verändern können (oder auch nicht)», sagt Matioli.

Während die fortschrittlichsten Geräte auf dem Markt heute Frequenzen von bis zu 2 THz erreichen, können die Metageräte des POWERlab bis zu 20 THz erreichen. Ebenso neigen die heutigen Geräte, die im Terahertz-Bereich arbeiten, dazu, bei Spannungen unter 2 Volt zusammenzubrechen, während die Metageräte über 20 Volt unterstützen können. Dies ermöglicht die Übertragung und Modulation von Terahertz-Signalen mit viel höherer Leistung und Frequenz als derzeit möglich.

Integrierte Lösungen

Wie Samizadeh Nikoo erklärt, ist die Modulation von Terahertz-Wellen entscheidend für die Zukunft der Telekommunikation, da die steigenden Datenanforderungen von Technologien wie autonomen Fahrzeugen und 6G-Mobilfunk schnell an die Grenzen heutiger Geräte stossen. Die im POWERlab entwickelten elektronischen Metabauelemente könnten die Grundlage für integrierte Terahertz-Elektronik bilden, indem sie kompakte Hochfrequenzchips herstellen, die beispielsweise bereits in Smartphones eingesetzt werden können.

«Diese neue Technologie könnte die Zukunft der Ultrahochgeschwindigkeitskommunikation verändern, da sie mit bestehenden Prozessen in der Halbleiterfertigung kompatibel ist. Wir haben eine Datenübertragung von bis zu 100 Gigabit pro Sekunde bei Terahertz-Frequenzen demonstriert, was bereits zehnmal höher ist als das, was wir heute mit 5G haben», sagt Samizadeh Nikoo.

Um das Potenzial des Ansatzes voll auszuschöpfen, müssen laut Matioli als nächster Schritt weitere elektronische Komponenten entwickelt werden, die in Terahertz-Schaltungen integriert werden können.

«Integrierte Terahertz-Elektronik ist die nächste Stufe auf dem Weg in eine vernetzte Zukunft. Aber unsere elektronischen Metavorrichtungen sind nur eine Komponente. Wir müssen weitere integrierte Terahertz-Komponenten entwickeln, um das Potenzial dieser Technologie voll auszuschöpfen. Das ist unsere Vision und unser Ziel.»