研究人員研發微型高功率太赫茲芯片有望實現制造更高效靈敏的電子設備

太赫茲波，傳統上稱遠紅外射線，是指頻率在0.1～10太赫茲范圍的電磁波，波長大概在0.03～3毫米范圍，介于微波與紅外之間。太赫茲波因其波長比無線電波更短、頻率更高，可實現更快的數據傳輸、更精準的醫療成像以及更高分辨率的雷達探測。但是，要在半導體芯片上高效地產生太赫茲波卻一直是個難題，因此其在集成電子設備中尚難應用。

目前，多數應用中是選擇笨重昂貴的硅透鏡來產生足夠輻射功率的太赫茲波，以盡量高的輻射功率使得太赫茲信號傳播得更遠。但這些透鏡通常比芯片本身還大，導致太赫茲波源難以集成到電子設備中。

為突破這一限制，美國麻省理工學院的研究人員開發了一種太赫茲波放大倍頻系統，無須硅透鏡即可實現比現有設備更高的輻射功率。通過在芯片背面貼附帶有特殊設計的超薄材料，并采用英特爾公司的高功率晶體管，研究人員打造出效率更高且可擴展的芯片級太赫茲波發生器。

這種緊湊型芯片可用于制造太赫茲波陣列，例如改進安檢掃描儀以探測隱藏物品，或開發能精確定位空氣污染物的環境監測器。“要充分發揮太赫茲波源的優勢，必須實現可擴展性。一個太赫茲波陣列可能包含數百枚芯片，而高密度集成的設計根本沒有空間容納硅透鏡。我們需要不同的封裝方案——這項研究展示了一種可用于低成本、可擴展太赫茲陣列的可行方法。”論文第一作者、麻省理工學院電子工程與計算機科學系研究生王金辰（音）解釋道。

太赫茲波位于電磁頻譜中無線電波與紅外光之間。其更高頻率使其比無線電波每秒攜帶更多信息，同時比紅外光能安全穿透更廣泛的材料。

一種生成太赫茲波的方法是通過CMOS芯片的放大倍頻鏈，將無線電波頻率逐步提升至太赫茲范圍。為實現最佳性能，波束會穿過硅芯片最終從背面發射到空氣中。但介電常數這一特性會妨礙傳輸的順暢性。

介電常數影響電磁波與材料的相互作用，決定輻射被吸收、反射或透射的比例。由于硅的介電常數遠高于空氣，大多數太赫茲波會在硅-空氣界面被反射而非有效透射。

面對這一挑戰，研究團隊另辟蹊徑，運用“介電常數匹配”原理，通過在芯片背面貼附介電常數介于硅與空氣之間的超薄材料，顯著減少了界面反射，使大部分波束得以透射。

研究團隊選用了一種介電常數接近匹配需求的低成本商用基板材料，并通過激光切割微孔精確調控其介電常數?！翱諝饨殡姵禐?，在材料上切割亞波長孔洞等效于注入空氣，從而降低整體介電常數?！蓖踅鸪浇忉尩?。

此外，芯片設計采用了英特爾特制晶體管，其最大頻率和擊穿電壓均優于傳統CMOS晶體管。王金辰表示：“強大晶體管與介電匹配層的結合，加上其他方面的創新，使得我們研制試樣的性能超越了多種現有設備?！?/p>

該芯片產生的太赫茲信號峰值輻射功率達11.1分貝毫瓦，創下當前技術應用的最高紀錄。且低成本芯片可大規模制造，更易集成到實際電子設備中。

研發過程中，研究人員還需解決太赫茲波生成時的功率管理與散熱問題?！坝捎陬l率和功率極高，許多標準CMOS芯片設計方法在此都不適用?！蓖踅鸪街赋?。團隊還開發了適合量產環境的匹配層安裝工藝。

未來，他們計劃通過制造CMOS太赫茲波源相控陣列來驗證可擴展性，實現用低成本緊湊設備操控高功率太赫茲波束。