在5G刚刚推出，还需要数年时间才能成熟的情况下，现在就有人开始研发6G未免太早了点。但一些专业人士表示，现在正是开发6G的最佳时机。 位于加州大学圣巴巴拉分校的一个小组一直在开发一种设备，该设备可能对有效地增强6G的太赫兹频率信号，对推广到未来智能手机和其他联网设备至关重要。他们在最近发表在《IEEE电子器件通讯》上的两篇论文中报告了该设备的关键方面--包括一个 "n极 "氮化镓高电子迁移率晶体管。
到目前为止，测试主要集中在94千兆赫的频率上，这是在太赫兹的边缘。"我们刚刚突破了毫米波操作的记录，其系数实在是太惊人了，"发表论文的UCSB小组负责人、IEEE研究员Umesh K. Mishra说。"在设备领域，强度如果能提高20%就是件很了不起的事了。但是，我们把塔增强了200%到300%。"
这项功率放大器技术被称为高电子迁移率晶体管（HEMT）。它是围绕两种具有不同间隙的材料而形成的异质结：氮化镓和氮化铝镓。在这个 "异质结 "上，氮化镓的自然极性会导致一片被称为二维电子气体的多余电荷聚集。这种电荷的存在使该器件具有高频工作的能力，因为电子可以自由地在其中快速移动，不受阻碍。
氮化镓HEMT已经在放大器中崭露头角，它们是5G功率放大器的竞争者。但为了有效地放大太赫兹频率，典型的氮化镓HEMT需要以一种特殊的方式缩小规模。就像硅逻辑晶体管一样，使HEMT的栅极更接近电流流经的通道--在这种情况下是电子气体--使其能够使用较少的能量控制电流的流动，从而使器件更加高效。更具体地说，Mishra解释说，你想最大限度地提高栅极长度与栅极到电子气体的距离之比。这通常是通过减少栅极金属与器件其他部分之间的阻挡材料数量来实现的。但你只能用这种策略走到这一步。最终，它将变得太薄，无法防止电流泄漏，因此会损害效率。
普通的氮化镓是所谓的镓极性。也就是说，如果你低头看表面，晶体的最上层永远是镓。但圣巴巴拉团队发现了一种制造氮极性晶体的方法，所以顶层永远是氮。这看起来似乎是一个很小的区别，但这意味着制造电荷片的结构，即异质结，现在是颠倒的。
这带来了一堆优势。首先，源极和漏极现在通过较低带隙材料（纳米薄的GaN层）而不是较高带隙材料（氮化铝镓）与电子气体接触，从而降低了电阻。其次，当器件接近其最低电流状态时，气体本身被更好地限制住了，因为下面的AlGaN层起到了防止散射电荷的作用。
利用这两个特性制造的器件已经取得了破纪录的结果。在94GHz的频率下，一个器件在27%的效率下产生了8.8瓦/毫米的功率。类似的镓-极性器件在该效率下只产生了约2瓦/毫米。
但新的几何形状还可以进一步改进，将栅极定位在更靠近电子气体的地方，使其得到更好的控制。但要做到这一点，栅极必须作为一个低漏电的肖特基二极管。与普通的p-n结二极管不同，肖特基二极管是由化学掺杂有不同过剩电荷的半导体区域结成的，而肖特基二极管是由金属、绝缘体和半导体层形成的。Mishra团队烹制的肖特基二极管--钌一次一个原子层沉积在N-极性GaN之上--提供了一个高阻隔，防止电流偷偷穿过它。而且，与其他栅极二极管的尝试不同，这个栅极二极管不会通过理论上不应该存在但在现实生活中存在的随机路径损失电流。
"肖特基二极管通常极难在GaN上得到而不漏电，"Mishra说。"我们表明，这种材料组合......给我们带来了近乎理想的肖特基二极管特性。"
加州大学圣巴巴拉分校的团队还没有发表来自用这种新二极管作为栅极的HEMT的结果，Mishra说。但目前的数据是有希望的。而且他们计划最终在比以前更高的频率下测试新器件--140 GHz和230 GHz--这两个频率都稳居太赫兹范围。
