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LLNLチーム、次世代通信向け半導体スイッチを設計

June, 28, 2021, Livermore--Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)エンジニアは、新しい種類のレーザ駆動半導体スイッチを設計した。これは、理論的に既存の光伝導デバイスよりも高電圧、高速を実現できる。そのようなデバイスの開発は、研究チームによると、より高速、長距離に多くのデータを伝送できる次世代衛星通信システムを可能にする。

LLNLとUniversity of Illinois Urbana-Champaign (UIUC)の研究チームは、IEEE Journal of the Electron Devices Societyに発表された論文で、新しい光伝導デバイスの設計とシミュレーションについて報告した。同デバイスは、基板材料窒化ガリウム(GaN)で、極端な電界下で、電子電荷雲を生成するためにハイパワーレーザを利用する。

印加電界が増えるにともない電子移動が速くなる通常の半導体と違い、GaNは負の微分移動と呼ばれる現象を示す。ここでは電子は発散しないが、クラウドの最前部で減速する。これにより、そのデバイスは、電磁放射を受けると、1THzに近い超高速パルスと高電圧信号を生成する。

「このプロジェクトの目標は、既存技術よりも大幅に強力な、超短波で動作可能なデバイスの構築である」とLLNLエンジニア、プロジェクトの主席研究者Lars Vossはコメントしている。「それは固有モードで動作する。そこでは出力パルスが実際、レーザの入力パルスよりも時間的に短くなる、圧縮デバイスのようである。光入力を電気出力に圧縮できるので、超高速で非常にハイパワーの無線周波数波形を生成できる」。

論文でモデル化したその光伝導スイッチが実現されると、Vossによると、微小化して衛星に組込み、5Gを超える通信が可能になり、より高速、長距離に多くのデータを転送できる。

Vossによると、ハイパワー、高周波の技術は、固体デバイスが、まだ真空管を置き替えられていない最後の領域の一つである。300GHz以上で動作可能で、出力が1W以上の新しいコンパクトな半導体技術は、そのようなアプリケーションからの強い要求がある。また、高い電子移動度トランジスタの中には、300GHzを超えるものがあるが、それらは一般に、エネルギー出力に限界がある。

「この新しいスイッチをモデル化しシミュレートすることで実験に指針を与え、テスト構造のコストを削減し、試行錯誤を阻止することでラボテストの改良と成功率を改善、実験データの正しい解釈が可能になる」とち論文の主筆、Shaloo Rakhejaは説明している。同氏は、LLNLのポスドク研究者。

(詳細は、https://www.llnl.gov)