La profesora asistente Shigehisa Shibayama (derecha) y el primer autor Shota Torimoto (izquierda), junto con el resto del equipo, han desarrollado un diodo de túnel resonante utilizando solo materiales semiconductores de grupo IV no tóxicos que opera a temperatura ambiente. Crédito: Shigehisa Shibayama (Universidad de Nagoya) y Shota Torimoto (Universidad de Nagoya)
En un mundo mundial, investigadores de la Universidad de Nagoya en Japón han desarrollado con éxito un diodo de túnel resonante (RTD) que opera a temperatura ambiente hecha completamente a partir de materiales semiconductores del Grupo IV.
El desarrollo de un RTD que funciona a temperatura ambiente significa que el dispositivo podría implementarse a escala para los sistemas de comunicación inalámbrica de próxima generación. El uso de solo materiales semiconductores del Grupo IV no tóxico también es compatible con procesos de fabricación más sostenibles.
Esta investigación marca un paso fundamental hacia los componentes inalámbricos de Terahertz que ofrecen una capacidad de manejo de datos y datos sin precedentes con una eficiencia energética superior.
“En comparación con las RTD del Grupo III-V con sede en Ingaas que incluyen elementos tóxicos y raros, como el indio y el arsénico, los RTD basados en compuestos del grupo IV son más seguros, menores costos y ofrecen ventajas para crear procesos de producción integrados”, dijo la autora senior Dr. Shigehisa Shibayama de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Nagoya.
Los resultados se publican en la revista ACS Aplicados Materiales electrónicos.
Ondas de terahercios y dispositivos cuánticos
Los investigadores han luchado durante mucho tiempo para lograr la transferencia de datos de alta velocidad y gran volumen necesaria para las redes celulares de sexta generación (6G).
Una solución prometedora es la comunicación inalámbrica utilizando ondas de Terahertz: ondas electromagnéticas que vibran un billón de veces por segundo, lo que permite la transmisión de datos de ultra alta velocidad. Sin embargo, quedan muchos desafíos técnicos antes de que esta tecnología pueda ser práctica para las aplicaciones de los consumidores.
Un componente crítico para realizar la comunicación de Terahertz es el RTD. Este dispositivo cuántico funciona a través de una resistencia diferencial negativa, una propiedad contraintuitiva donde el aumento del voltaje en realidad disminuye la corriente. Cuando parte de un circuito diseñado adecuadamente, esta propiedad permite que los diodos mantengan oscilaciones de alta frecuencia que de otro modo decaerían debido a pérdidas eléctricas.
La ilustración (izquierda) muestra las diferentes capas de la estructura de doble barrera; Las dos barreras Gesisn están apiladas entre capas de GESN. La tabla (derecha) indica las capas donde el gas de hidrógeno se introdujo en diferentes escenarios. Crédito: Shigehisa Shibayama (Universidad de Nagoya)
Ir más allá de las limitaciones de laboratorio
El secreto detrás de un RTD se encuentra en su estructura de doble barrera, donde los electrones o los agujeros túnel a través de capas de diferentes materiales semiconductores, cada uno de solo unos pocos átomos de espesor. Estas capas se han creado principalmente a partir de materiales del Grupo III-V con sede en Ingaas que incluyen elementos tóxicos y raros, como el indio y el arsénico.
En investigaciones previas del mismo grupo, los investigadores crearon un RTD de tipo P utilizando solo materiales del Grupo IV, específicamente las aleaciones de germanio-Tin (GESN) y germanio-silicon-tin (GESISN). Una limitación era que el diodo solo funcionaba a temperaturas extremadamente bajas, alrededor de -263 ° C. Dado que la electrónica de consumo y los sistemas inalámbricos no pueden alcanzar prácticamente este nivel de enfriamiento, el dispositivo habría seguido siendo una curiosidad de laboratorio.
Shibayama y sus colegas ahora han descubierto cómo usar solo materiales del Grupo IV para producir un P-RTD que funciona a temperaturas ambulantes de alrededor de 27 ° C. Esta mejora significativa abre nuevas posibilidades para la adopción generalizada de dispositivos semiconductores de Terahertz.
El escenario (azul) donde el gas de hidrógeno se introdujo solo las tres capas GESN exhibían cristalinidad y homogeneidad superiores. Crédito: Shigehisa Shibayama (Universidad de Nagoya)
El grupo de investigación logró su avance al introducir gas de hidrógeno durante el proceso de formación de la capa. Probaron tres escenarios diferentes:
Introducción de gas de hidrógeno tanto para las dos capas Gesisn como en tres capas GESN introduciendo gas sin hidrógeno que introduzca gas de hidrógeno solo para las tres capas GESN.
En el último escenario, el crecimiento de la isla restringido al gas de hidrógeno y la mezcla entre capas, lo que resulta en una estructura de doble barrera suave y bien ordenada.
“El RTD no puede funcionar si estas capas son mixtas”, dijo el Dr. Shibayama.
“Si hay defectos en las capas, los electrones pueden túnel a través de estas rutas más fáciles, lo que lleva a la fuga de corriente. Esta corriente de fuga debe reducirse para la resistencia diferencial negativa, la propiedad clave de un RTD, para ocurrir”.
Más información: Shota Torimoto et al, operación de temperatura ambiente de GE1-XSNX/GE1-X-SISIXSNY Diodos de túnel resonantes presentados con introducción de H2 durante la epitaxia del haz molecular. ACS aplicó materiales electrónicos (2025). Dos: 10.1021/acsaelm.5C01049
Proporcionado por la Universidad de Nagoya
Cita: el dispositivo Terahertz de temperatura ambiente abre la puerta a las redes 6G (2025, 17 de septiembre) Recuperado el 17 de septiembre de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-09-09-room-temperature-erahertz-device-door.html
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