利用光，在萬億分之一秒內控制半導體_風聞

本文由半導體產業縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自scitechdaily

太赫茲光控技術，讓半導體在萬億分之一秒間變了模樣。

近期，一項發表於《自然通訊》的同行評審研究揭示了納米電子學領域的重大進展：德國比勒費爾德大學與德累斯頓萊布尼茨固體與材料研究所（IFW Dresden）的聯合團隊，成功研發出利用超短光脈衝操控原子級厚度半導體的技術。這一突破打破了傳統半導體依賴電子門控的侷限，使器件響應速度進入皮秒（萬億分之一秒）級別，為下一代超高速光電元件開闢了全新路徑。

傳統半導體器件的核心操控方式是“電子門控”——通過金屬電極施加電場，控制晶體管等元件的電流開關。但這種方式存在天然瓶頸：電子在材料中的遷移速度有限，導致響應時間難以突破納秒級；同時，電流傳輸中的電阻會產生大量熱量，限制了器件的高頻性能。比勒費爾德大學物理學教授德米特里·圖爾奇諾維奇博士解釋：“我們的技術相當於用‘光束’直接指揮電子運動，跳過了金屬電極的傳導環節，從根本上解決了速度與能耗的矛盾。”

這項技術的核心在於“太赫茲光-納米天線-二維半導體”的三重協同。太赫茲光作為一種特殊的電磁波，頻率介於紅外與微波之間（0.1-10太赫茲），其光子能量恰好匹配半導體中電子的能級差，既能激發電子運動，又不會破壞材料結構。

研究團隊設計的納米級天線是實現這一技術的關鍵。這些天線採用3D-2D混合結構：底部是與半導體接觸的平面電極（2D結構），頂部為螺旋狀三維接收單元。當天線捕獲太赫茲光後，會通過“場增強效應”將光能壓縮至納米尺度，轉化為垂直作用於半導體材料的超強電場，強度可達每釐米數兆伏。這種電場無需金屬傳導，直接滲透到原子級厚度的半導體（如二硫化鉬）內部，實現對電子排布的精準調控。

二硫化鉬作為典型的二維過渡金屬硫化物，僅有三個原子層厚，其層間電子耦合較弱，在外加電場下極易發生能帶結構變化——這正是它能被光控技術精準操控的重要原因。實驗顯示，太赫茲光脈衝可在1皮秒內改變二硫化鉬的能帶隙（決定材料導電特性的核心參數），從而選擇性調節其光學與電子特性，且整個過程具有可逆性和相干性，不會對材料造成損傷。

從理論建模到器件落地

這項技術的突破並非偶然，而是理論物理與實驗工程深度協作的成果。比勒費爾德大學團隊承擔了基礎研究的核心工作：他們通過密度泛函理論計算，篩選出二硫化鉬等適合光控的二維材料，並建立了太赫茲光與電子相互作用的理論模型。研究的主要作者、瑪麗·居里研究員平岡智樹博士回憶：“最初的模擬顯示，太赫茲光可能引發材料能帶的劇烈變化，但當實驗中真正觀測到這種效應時，依然令人振奮——光脈衝就像一把精準的‘電子剪刀’，能按我們的設計切割能帶結構。”

德累斯頓IFW團隊則攻克了納米器件製造的難題。負責天線研發的安迪·托馬斯博士透露：“我們測試了50多種結構，從金屬材質到螺旋角度都進行了優化。最終的3D-2D設計能將太赫茲光的能量利用率提升3倍，才達到了所需的電場強度。”這種精密製造不僅需要電子束光刻等先進技術，更依賴對光與材料相互作用的深刻理解——例如，天線的尺寸必須與太赫茲光的波長匹配，才能形成共振增強效應。

這項技術的潛在應用覆蓋多個關鍵領域。在通信領域，太赫茲光控器件的響應速度可達1太赫茲，遠超現有硅基晶體管的100吉赫茲極限，意味着未來一根光纖的傳輸速率可提升10倍以上，足以支撐全球即時數據交互的需求。同時，由於無需金屬電極傳導，器件功耗可降低90%，這對5G基站、數據中心等能耗敏感場景具有重要意義。

在計算領域，超高速電子開關的實現可能推動“光控芯片”的發展。傳統芯片中，電子信號的延遲限制了運算速度，而太赫茲光控技術可讓晶體管開關頻率突破1太赫茲，使芯片算力實現數量級提升。更重要的是，光控方式能減少發熱，有望解決當前芯片“功耗牆”的難題。

在成像與傳感領域，皮秒級的時間分辨率讓動態觀測進入新維度。例如，在醫療診斷中，可即時捕捉藥物分子與細胞的相互作用；在材料科學中，能記錄化學反應的中間態。而在量子技術領域，太赫茲光的相干性可用於精準調控量子比特的狀態，為量子計算機的穩定運行提供新方案。

業內專家認為，這項技術可能重塑半導體行業的發展邏輯。當前，“摩爾定律”逐漸放緩，通過縮小晶體管尺寸提升性能的路徑日益艱難，而太赫茲光控技術從“操控機制”層面開闢了新方向——不再依賴電子遷移速度，而是利用光與電子的直接交互實現超高速響應。這種變革可能推動半導體產業從“電驅動”向“光驅動”轉型。

不過，技術落地仍需突破多重挑戰。目前，納米天線的製造成本較高，依賴精密的電子束光刻技術，難以大規模量產；太赫茲光源的能量轉換效率僅為8%，若要實現商用，需開發更高效的光發射裝置。此外，二維半導體材料的穩定性也需提升——二硫化鉬在空氣中易氧化，如何在器件封裝中保持其性能，仍是亟待解決的問題。

儘管存在挑戰，研究團隊對技術前景充滿信心。圖爾奇諾維奇教授表示：“我們的下一步是與工業界合作，優化製造工藝。預計未來5-8年，太赫茲光控技術有望在特定領域實現商用，例如高頻通信芯片或量子傳感器。”

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