“比光还快的瞬间移动”……6G太赫兹时代超高速量子隧穿器件问世

Published 30 Dec.2025 08:52(KST)

UNIST与亚洲大学开发解决发热问题的低功耗太赫兹量子隧穿器件

可稳定运行1000次…下一代6G与量子器件商业化前景提升，发表于ACS Nano

具备在6G通信等领域必不可少的超高速运行能力的量子器件被新近开发出来。

UNIST物理学系Park Hyeongryeol教授团队与亚洲大学物理学系Lee Sangwoon教授团队合作，于30日表示，他们开发出一种新的太赫兹量子器件，解决了以往量子器件无法承受强电场而熔化的问题。

研究团队成员为 UNIST 教授 Park Hyeongryeol、亚洲大学教授 Lee Sangun、UNIST 研究员 Ji Gangseon（第一作者）。UNIST 提供

太赫兹量子器件被视为下一代器件，有望实现6G通信等超高速信号处理，而这在现有半导体缓慢的运行速度下难以承受。

这是因为该器件利用了由每秒振动数万亿次（10¹²）的太赫兹波诱导产生的电子隧穿效应。隧穿是电子穿过能量势垒的量子现象。

问题在于，为了引发隧穿，需要施加强度高达3V/nm（伏/纳米）的太赫兹波电场。强电场会引起发热，从而导致器件的金属电极熔化或结构受损，成为限制因素。

研究团队开发出了在仅为原来约1/4强度的较弱电场下也能顺利发生隧穿的太赫兹量子器件。太赫兹量子器件的结构是在金属电极之间夹有绝缘体，研究团队将这一绝缘体由原先的氧化铝（Al₂O₃）更换为二氧化钛（TiO₂）。这是利用采用二氧化钛可以降低能量势垒高度这一原理的技术。

第一作者研究员Ji Gangseon表示：“这不是通过强电场把电子‘推’过去，而是采用为电子打开一条更容易移动通道的方式”，“由于隧穿是概率性现象，一旦能量势垒高度降低，其发生概率就会急剧增加”。

研究团队利用优化后的原子层沉积工艺，成功制备出这种结构的高质量器件。原本在金属电极上沉积二氧化钛薄膜时，极易出现原子尺度的微孔（氧空位）等缺陷。

亚洲大学教授Lee Sangwoon表示：“通过应用在半导体逻辑与存储器器件量产工艺中使用的最新原子层沉积技术，我们得以抑制下一代量子器件中的氧空位缺陷。”原子层沉积是一种交替注入前驱体气体，在基板上逐层堆积原子级薄膜的技术。

开发出的器件在约0.75 V/nm的电场下也表现出稳定的隧穿驱动特性。此外，得益于二氧化钛优异的散热性能，即便在将太赫兹波透过率调节至最高60%的条件下，器件也能在超过1000次运行中保持无性能衰减的稳定工作。

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UNIST教授Park Hyeongryeol强调：“我们从根本上解决了阻碍太赫兹量子器件商业化的最大障碍——高电压驱动和热破坏问题”，“该技术将成为引领超越6G时代的未来光通信器件以及高灵敏度量子传感领域的源头技术”。

由太赫兹电场诱导的量子隧穿现象。

此次研究成果已于当地时间12月20日在线发表在纳米科学领域世界权威期刊《ACS Nano》上。研究工作得到了科学技术信息通信部韩国研究财团（National Research Foundation of Korea，NRF）、信息通信企划评价院（Institute for Information & Communications Technology Planning & Evaluation，IITP）等机构的资助。

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本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。