由激光驱动的半导体开关设计，从理论上可以实现比现有光电导器件更高的速度和电压。如果这种小型化开关能集成到卫星中，便可以实现超越5G的信号传输速度。

目前，该项技术正由劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）和伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）联合研发。研发过程中，研究团队利用高功率激光器在极端电场下，在基础材料氮化镓产生了电子电荷云。

在普通半导体中，电子会随着施加电场增加而快速移动，然而氮化镓却表现出一种称为“负微分迁移率效应”（negative differential mobility），其生成的电子云在云的前端减慢。研究人员称，该效应使得设备能够在暴露于电磁辐射时，以接近1 THz的频率产生极快的脉冲和高压信号。

■新型半导体开关工作原理图

LLNL工程师兼项目首席研究员Lars Voss谈到：“该项目的目标是构建一种比现有技术更强大的设备，但可以在高频状态下运行。它以一种独特的模式工作，输出脉冲实际上可以比激光输入脉冲在时间上更短——几乎就像是一个压缩装置。一个光子输入经过压缩后以一个电子输出，因此它可以潜在生成极高速和极高功率的射频波形。”

假设论文中描述的开关能够实现，它确实可以通过小型化并集成到现有的卫星中，实现超越5G速度的通信系统。Lars Voss表示，这样就能在远距离上以更快的速度进行信号传输。他补充说，高功率和高频技术是当前固态设备尚未取代真空管的最后领域之一。

实现300GHz以上频率的同时还能提供1W或更高输出功率，使得新型紧凑型半导体技术在高速信号传输领域有着广泛的应用需求。尽管一些高电子迁移率晶体管能够达到高于300 GHz的频率，但它们的能量输出通常受到限制。

■a)显示了使用 GaN 作为有源区的横向光电导开关；b）由于氮化镓中固有的负微分迁移率效应，可以压缩电子电流的脉冲宽度，同时可以提高其峰值

“这种新开关的建模和仿真将为实验提供指导，降低测试结构成本，通过防止反复试验来提高实验室测试的周转率和成功率，并能够正确解释实验数据。”UIUC电气和计算机工程系助理教授Shaloo Rakheja表示。他同时也是论文的第一作者。当前，研究团队在LLNL正努力研发这种激光驱动的半导体开关。另外，研究人员也在探索其他材料的可能性，例如砷化镓，以优化开关的整体性能。

LLNL博士后研究员Karen Dowling则表示，在低电场下砷化镓比氮化镓更容易表现出负微分迁移率效应，因此它是一个很好的模型，通过更容易进行的测试来理解该效应产生的结果。据悉，该项目由Laboratory Directed Research and Development资助，目的是展示一种能在 100 GHz和更高功率下运行的传导装置。未来，研究团队将检查激光加热对电子电荷云的影响，并在电光模拟框架下提高对设备操作的理解。