Adam Zewe 2025-02-25 15:11 北京
研究人员开发了一种可扩展且低成本的设备，能够在芯片上产生高功率的太赫兹波。
（来源：MIT News）
太赫兹波（Terahertz waves，简称 THz 波）在电磁波谱中的频率范围在 0.1-10 太赫兹之间，其应用前景广阔，可以实现更快的数据传输、更精确的医学成像，以及更高分辨率的雷达。
然而长期以来，如何让半导体芯片高效产生大功率太赫兹波，始终是制约这项技术落地的关键瓶颈。
现有主流方案依赖体积庞大且昂贵的硅透镜来增强辐射功率，借助更强的辐射功率才能让太赫兹信号传得更远，否则难以实际应用。这类附加装置往往比芯片本体还要大，导致整个系统臃肿不堪，使得将太赫兹波源集成到电子设备中面临巨大挑战。
为克服这些限制，麻省理工学院的研发团队开发出一种新型太赫兹放大倍频系统，该设备在摆脱硅透镜束缚的同时实现了辐射功率的大幅提升。
他们通过在芯片背部集成特殊设计的超薄材料层，并利用更高功率的晶体管，制造出了一种更高效且可扩展的基于芯片的太赫兹波发生器。
这项微型化技术突破使构建紧凑型太赫兹阵列成为可能，未来可广泛应用于新一代智能安检系统，实现对隐匿物品的毫米级识别；在环境监测领域，可打造高灵敏度的污染物追踪网络，实时捕捉空气中的微量有害物质。
“太赫兹技术的真正价值在于规模化应用。太赫兹阵列可能包含数百颗芯片，根本没有空间放置硅透镜，因为这些芯片是以极高的密度组合在一起的，所以我们需要一种不同的封装方式。”这篇研究论文的第一作者、麻省理工学院电子工程与计算机科学系研究生王金辰表示，“我们开发了一种适用于可扩展低成本太赫兹阵列的方法，这种芯片级解决方案适用于高密度阵列需求，其可扩展性将极大降低系统成本，为商业化应用扫清障碍。”
研究团队成员还包括电子工程与计算机科学系研究生 Daniel Sheen、Xibi Chen、T.J. Rodgers RLE 实验室常务董事 Steven F. Nagle，以及电子工程与计算机科学系副教授、太赫兹集成电子研究组负责人 Ruonan Han 等。该研究成果将在即将举行的 IEEE 国际固态电路会议（ISSCC）上正式发表。
解决太赫兹波传输瓶颈
在电磁波谱中，太赫兹波介于无线电波和红外光之间，这种“黄金波段”具备双重优势，相比传统无线电波，其更高频段特性可实现每秒海量数据传输；相较于红外光，它又能安全穿透更多种类的物质。这些特性使其在高速通信、无损检测等领域极具应用潜力。
目前主流的太赫兹波生成方案是通过 CMOS 芯片构建的放大倍频链，该链路将无线电波逐步提升频率直至进入太赫兹范围。
理想状态下，这些高频电磁波会穿过硅芯片，最终从背面辐射到空气中。然而，现实往往存在“最后一公里”的传输困境，问题的关键卡在了硅与空气的交界处。
究其原因，主要是两种介质的介电常数差异。介电常数决定着电磁波与材料的相互作用方式，直接影响电磁波的吸收、反射与透射比例。
由于硅材料的介电常数远远高于空气，当太赫兹波抵达硅-空气界面时会像撞上“电磁反射墙”般被弹回，仅有少部分能穿透到空气中。这一能量损耗难题，迫使现有技术不得不依赖硅透镜来增强和放大残余信号的功率。
此次，麻省理工学院的团队另辟蹊径，从经典电磁学理论中找到突破口。他们引入“介电常数匹配”原理，在芯片背面附着一层特殊设计的超薄材料，以此来平衡硅和空气的介电常数。
这种材料犹如电磁波传输的“缓冲带”，其介电常数精确介于硅与空气之间，形成渐进式过渡，从而最小化在边界处被反射的信号量。
通过这种梯度设计，太赫兹波在穿越不同介质时的反射率显著降低，并且还可以避免使用笨重且昂贵的硅透镜，使整个系统更加紧凑高效。
低成本工艺实现规模化量产
为实现太赫兹芯片的规模化量产，首先，研究人员选用了一种低成本且市面上可买到的基板材料，其介电常数非常接近他们所需的匹配值。
为了进一步提升性能，他们使用激光切割机在基板表面打了许多微小的孔，通过调整孔隙率将整体介电常数精确调控至目标值。
对此，王金辰形象地解释道，“就像在混凝土中掺入气泡形成轻质砖，我们通过精密计算孔洞分布，让基板的电磁特性完美适配硅与空气的过渡需求。因为空气的介电常数是 1，在薄片上切出一些亚波长的小孔，就相当于注入了一些空气，从而降低了整个匹配薄片的介电常数。”
随后，他们还使用英特尔开发的特殊晶体管设计了芯片，这些晶体管的最大频率和击穿电压高于传统的 CMOS 晶体管。
“更强大的晶体管和介电薄片，这两者的结合再加上其他一些小创新，使我们的设备性能超过了其他几种现有设备。”他说道。
实验数据显示，该芯片生成的太赫兹信号峰值辐射功率达到了 11.1 分贝毫瓦，是目前先进技术中较高的功率数值。更关键的是，由于这种低成本芯片可以大规模制造，它更容易集成到实际的电子设备中。
在攻克技术难题后，团队将重心转向产业化适配。传统 CMOS 设计规范在太赫兹频段遭遇严峻挑战，高频运作带来的散热问题与功率密度限制成为量产瓶颈。“由于频率和功率都非常高，许多用于设计 CMOS 芯片的标准方法在这里都不适用。”王金辰指出。
此外，研究人员还需要设计一种可以在现有工厂中大规模应用的安装匹配片材的技术。
展望未来，他们希望通过制造一个基于 CMOS 的太赫兹源相控阵列来验证这种可扩展性，这样就可以用低成本、紧凑型设备实现对强大太赫兹波束的控制和聚焦。
这项研究部分得到了美国国家航空航天局喷气推进实验室和大学研究伙伴计划，以及麻省理工学院集成电路和系统中心的支持。此外，该研究中使用的芯片是通过英特尔大学航天飞机项目（Intel University Shuttle Program）制造的。
原文链接：
https://news.mit.edu/2025/chip-based-system-could-enable-more-efficient-sensitive-electronics-0220
