レーザーは半導体スイッチの設計を支援し、次世代通信技術への道を開きます

レーザー駆動の半導体スイッチの設計は、理論的には既存の光伝導デバイスよりも高い速度と電圧を実現できます。 この小型化されたスイッチを衛星に統合できれば、5Gを超える信号伝送速度を実現できます。

現在、この技術はローレンスリバモア国立研究所（LLNL）とイリノイ大学アーバナシャンペーン校（UIUC）が共同で開発しています。研究開発の過程で、研究チームは高出力レーザーを使用して、極端な電界下で基本材料の窒化ガリウムに電子電荷雲を生成しました。



通常の半導体では、電界が大きくなると電子は速く移動しますが、窒化ガリウムは一種の「負の微分移動度効果」（負の微分移動度）を示し、雲の前で減少する電子雲を生成します。研究者によると、この効果により、デバイスは電磁放射にさらされたときに1THzに近い周波数で非常に高速なパルスと高電圧信号を生成することができます。




■新しい半導体スイッチの動作原理図



LLNLのエンジニアでプロジェクトリーダーの研究者であるLarsVoss氏は、次のように述べています。実際には、レーザー入力パルスよりも時間が短くなる可能性があります。これは、ほとんど圧縮装置のようです。光子入力は圧縮されて電子として出力されるため、非常に高速で非常に高出力のRF波形を生成できる可能性があります。」



このホワイトペーパーで説明されているスイッチを実装できると仮定すると、実際に小型化して既存の衛星に統合し、5G速度を超える通信システムを実現できます。 Lars Vossは、このようにして、信号を長距離にわたってより高速で送信できると述べました。彼は、高出力および高周波技術は、ソリッドステートデバイスがまだ真空管に取って代わっていない最後の分野の1つであると付け加えました。



300GHzを超える周波数を実現することで1W以上の出力電力を提供できるため、新しいコンパクトな半導体技術には、高速信号伝送の分野で幅広いアプリケーション要件があります。一部の高電子移動度トランジスタは300GHzを超える周波数に到達できますが、通常、それらのエネルギー出力は制限されます。





■a）アクティブ領域としてGaNを使用する横方向の光伝導スイッチを示します。b）GaNに固有の負の微分移動度効果により、電子電流のパルス幅を圧縮し、同時にそのピーク値を増やすことができます。



「この新しいスイッチのモデリングとシミュレーションは、実験のガイダンスを提供し、テスト構造のコストを削減し、試行錯誤を防ぐことでラボテストの回転率と成功率を向上させ、実験データを正しく解釈できるようにします。」UIUC Electricalコンピュータ工学部のShalooRakheja助教授は言った。彼はまた、論文の最初の著者でもあります。現在、LLNLの研究チームは、このレーザー駆動半導体スイッチの開発に懸命に取り組んでいます。さらに、研究者は、スイッチの全体的なパフォーマンスを最適化するために、ガリウムヒ素などの他の材料の可能性も模索しています。



LLNLのポスドク研究員であるKarenDowlingは、ガリウム砒素は低電界下で窒化ガリウムよりも負の微分移動度効果を示す可能性が高いと述べました。このプロジェクトは、Laboratory Directed Research and Developmentによって資金提供されており、100GHz以上の電力で動作できる導電性デバイスの実証を目的としていると報告されています。将来的には、研究チームは、電子電荷雲に対するレーザー加熱の影響を調べ、電気光学シミュレーションの枠組みの下でデバイスの動作の理解を向上させる予定です。