太赫茲芯片承諾無需大鏡頭即可提供大功率

太赫茲波已被提議作為一種強大的工具，可以在潛在的 6G 網絡中快速傳輸大量數據，并看穿 X 射線等固體物質——前提是沒有危險的電離輻射。然而，事實證明，將這些想法實際實施為實際應用程序是困難的。現在，一個研究小組表示，他們通過一種可以在芯片上放置強大太赫茲波的設備，使太赫茲夢想更接近現實。

太赫茲波位于微波和遠紅外光之間的電磁波譜中被忽視的部分，通常在 0.1 到 10 太赫茲的范圍內。除了能夠穿透許多材料外，太赫茲波還具有比無線電波更高的頻率，這使它們能夠傳輸更多信息。太赫茲波的缺點是利用它們的物理學具有挑戰性。它們會很快被空氣中的水蒸氣吸收，在銅等常用電子材料中會受到損耗，并且產生這些頻率的方法通常很大或只能在低功率下產生它們。

當試圖在芯片中產生太赫茲波時，由于硅和空氣中的介電常數之間存在差異，這個問題很明顯。介電常數是指材料集中電場的能力。當波遇到具有不同介電常數的材料之間的邊界時，波的一部分被反射，一部分被透射。材料之間的對比度越大，反射就越大。硅的介電常數為 11.9，遠高于空氣的介電常數 （1），因此，太赫茲波在硅和空氣之間的界面處反射。這會導致嚴重的信號損失。

一種解決方法是將硅透鏡放置在芯片上以提高輻射功率，使太赫茲信號傳播得更遠，但這些透鏡很昂貴，而且可能比芯片本身大。

為了克服這一限制，麻省理工學院的研究人員采取了不同的方法。他們沒有使用透鏡，而是在芯片的背面連接了一塊特殊的圖案片，以促進電磁波從硅到空氣的傳輸。該片材包含許多孔，使其成為一部分是硅和部分空氣，并使其介電常數介于硅和空氣之間的介電常數，并允許大多數波傳輸而不是反射。研究人員實現了他們所說的比現有設備更高的輻射功率，并且無需使用硅透鏡。

在最近 2 月下旬于舊金山舉行的 IEEE 國際固態電路會議上發表的一篇論文和幻燈片中，該團隊概述了太赫茲輻射器器件如何整合片上放大器乘法器鏈、倍頻器和寬帶領結形縫隙天線陣列。所有這些加起來，一個系統產生的輻射在 232 到 260 GHz 之間。

除了介電片外，該芯片還使用了大功率英特爾晶體管，擊穿電壓為 6.3 伏，最大頻率為 290 GHz，高于傳統 CMOS 晶體管。據該團隊稱，該芯片安裝在尺寸為 51 x 40 毫米的印刷電路板上，背面露出介電匹配片，測得的峰值輻射功率為 11.1 分貝毫瓦，高于 200 至 300 GHz 頻段的同類設備。

介電片并不是一個新概念，但 CMOS 太赫茲源是其應用的理想場景，麻省理工學院電氣工程和計算機科學系的研究生 Jinchen Wang 說。

散熱器成本低，可以大規模生產。潛在的應用領域包括高分辨率雷達成像、寬帶無線傳輸和更好的醫學成像。

“主要挑戰是溫度和電流密度管理。目前，該電路在相對極端的條件下工作，這縮短了晶體管的使用壽命，“Wang 說。

“此外，如果我們將系統擴展到大型 CMOS 陣列，熱管理將成為一個關鍵問題，”他補充道。“它需要更精致的散熱器和風扇設計。但是，我們預計這些挑戰可以在未來兩到四年內得到有效解決。

加州大學洛杉磯分校（University of California Los Angeles）電氣和計算機工程教授莫娜·賈拉希（Mona Jarrahi）沒有參與這項研究，她稱其為高頻電子學領域的“開創性成就”。

Jarrahi 說：“這一非凡的進步不僅突破了 CMOS 技術在太赫茲領域的極限，而且還提供了高輸出功率、低成本和緊湊集成的前所未有的組合。

“將這種出色的性能擴展到更高的太赫茲頻率仍然是許多研究人員正在應對的挑戰。晶體管截止頻率、器件寄生和互連損耗等物理限制是更高頻率運行的主要限制因素。