太赫兹芯片有望在无需大型透镜的情况下实现强大功能

Jinchen Wang, Daniel Sheen et al.; MIT News

太赫兹波被认为是一种强大的工具，有望在潜在的6G网络中快速传输大量数据，并且能像X射线一样穿透固体物质，但却没有危险的电离辐射。然而，将这些构想实际应用到现实世界中已被证明是困难的。现在，一个研究团队表示，他们正在通过一种能将强大的太赫兹波集成到芯片上的设备，让太赫兹梦想更接近现实。

太赫兹波处于微波和远红外线之间被忽视的电磁波谱区间，通常在0.1到10太赫兹的范围内。除了具有穿透许多材料的能力之外，太赫兹波的频率比无线电波更高，这使得它们能够传输更多的信息。太赫兹波的缺点在于利用它们的物理过程极具挑战性。它们会被空气中的水蒸气迅速吸收，在常用电子材料（如铜）中会有损耗，而且产生这些频率的方法往往很复杂，或者只能以低功率产生。

由于硅和空气的介电常数存在差异，在芯片中尝试产生太赫兹波时，这个问题就很明显。介电常数这个术语指的是一种材料聚集电场的能力。当波遇到介电常数不同的材料之间的边界时，部分波会被反射，部分波会被传输。材料之间的差异越大，反射就越强烈。硅的介电常数为11.9，远高于空气的介电常数（1），因此，太赫兹波在硅和空气的界面处会被反射，这就导致了严重的信号损耗。

一种解决方法是在芯片上放置硅透镜以提高辐射功率，使太赫兹信号传播得更远，但这些透镜价格昂贵，而且可能比芯片本身还大。

利用带图案的薄片增强太赫兹波

为了试图克服这一限制，麻省理工学院（MIT）的研究人员采用了一种不同的方法。他们没有使用透镜，而是在芯片背面附上一种特殊的带图案的薄片，以增强电磁波从硅到空气的传输。这种薄片包含许多孔洞，使其部分为硅、部分为空气，使其介电常数介于硅和空气之间，从而让大多数波得以传输而非被反射。研究人员称，他们实现了比现有设备更高的辐射功率，并且无需借助硅透镜。

在2月下旬于旧金山举行的近期IEEE国际固态电路会议上发表的一篇论文和展示的幻灯片中，该团队概述了太赫兹辐射器设备是如何集成芯片上放大器 - 倍频器链阵列、倍频器以及宽带蝶形缝隙天线的（https://hangroup.mit.edu/conference-papers/）。这一切组合成一个能产生232至260千兆赫兹辐射的系统。

除了介电薄板之外，该芯片使用了击穿电压为6.3伏、最高频率为290吉赫兹的英特尔高功率晶体管，其性能高于传统的互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管。据该团队称，芯片安装在一个51×40毫米的印刷电路板上，背面露出介电匹配薄板，其峰值辐射功率经测量为11.1分贝 - 毫瓦，高于200至300吉赫兹频段内的同类设备。

麻省理工学院电气工程与计算机科学系的研究生Jinchen Wang表示，介电薄板并非一个新概念，但互补金属氧化物半导体（CMOS）太赫兹源是其应用的理想场景。

这种辐射器成本低，可大规模制造。潜在的应用领域包括高分辨率雷达成像、宽带无线传输以及更先进的医学成像。

Jinchen Wang说：“主要的挑战是温度和电流密度管理。目前，电路在相对极端的条件下运行，这会缩短晶体管的使用寿命。”

“此外，如果我们将该系统扩展为大型互补金属氧化物半导体（CMOS）阵列，热管理将成为一个关键问题，”他补充道，“这需要更精细的散热器和风扇设计。不过，我们预计在未来两到四年内这些挑战能够得到有效解决。”

Mona Jarrahi是加州大学洛杉矶分校（UCLA）的电气与计算机工程教授，她未参与这项研究，她称这一成果是高频电子学领域的“一项开创性成就”。

Jarrahi说：“这一显著进展不仅推动了CMOS技术在太赫兹频段的极限，还提供了高输出功率、低成本和紧凑集成的前所未有的组合。”

将这种卓越性能扩展到更高的太赫兹频率仍然是许多研究人员正在攻克的难题。诸如晶体管的截止频率、器件寄生（效应）和互连损耗等物理限制是更高频率运行的主要制约因素。