太赫兹芯片承诺无需大镜头即可提供大功率

太赫兹波已被提议作为一种强大的工具，可以在潜在的 6G 网络中快速传输大量数据，并看穿 X 射线等固体物质——前提是没有危险的电离辐射。然而，事实证明，将这些想法实际实施为实际应用程序是困难的。现在，一个研究小组表示，他们通过一种可以在芯片上放置强大太赫兹波的设备，使太赫兹梦想更接近现实。

太赫兹波位于微波和远红外光之间的电磁波谱中被忽视的部分，通常在 0.1 到 10 太赫兹的范围内。除了能够穿透许多材料外，太赫兹波还具有比无线电波更高的频率，这使它们能够传输更多信息。太赫兹波的缺点是利用它们的物理学具有挑战性。它们会很快被空气中的水蒸气吸收，在铜等常用电子材料中会受到损耗，并且产生这些频率的方法通常很大或只能在低功率下产生它们。

当试图在芯片中产生太赫兹波时，由于硅和空气中的介电常数之间存在差异，这个问题很明显。介电常数是指材料集中电场的能力。当波遇到具有不同介电常数的材料之间的边界时，波的一部分被反射，一部分被透射。材料之间的对比度越大，反射就越大。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之间的界面处反射。这会导致严重的信号损失。

一种解决方法是将硅透镜放置在芯片上以提高辐射功率，使太赫兹信号传播得更远，但这些透镜很昂贵，而且可能比芯片本身大。

为了克服这一限制，麻省理工学院的研究人员采取了不同的方法。他们没有使用透镜，而是在芯片的背面连接了一块特殊的图案片，以促进电磁波从硅到空气的传输。该片材包含许多孔，使其成为一部分是硅和部分空气，并使其介电常数介于硅和空气之间的介电常数，并允许大多数波传输而不是反射。研究人员实现了他们所说的比现有设备更高的辐射功率，并且无需使用硅透镜。

在最近 2 月下旬于旧金山举行的 IEEE 国际固态电路会议上发表的一篇论文和幻灯片中，该团队概述了太赫兹辐射器器件如何整合片上放大器乘法器链、倍频器和宽带领结形缝隙天线阵列。所有这些加起来，一个系统产生的辐射在 232 到 260 GHz 之间。

除了介电片外，该芯片还使用了大功率英特尔晶体管，击穿电压为 6.3 伏，最大频率为 290 GHz，高于传统 CMOS 晶体管。据该团队称，该芯片安装在尺寸为 51 x 40 毫米的印刷电路板上，背面露出介电匹配片，测得的峰值辐射功率为 11.1 分贝毫瓦，高于 200 至 300 GHz 频段的同类设备。

介电片并不是一个新概念，但 CMOS 太赫兹源是其应用的理想场景，麻省理工学院电气工程和计算机科学系的研究生 Jinchen Wang 说。

散热器成本低，可以大规模生产。潜在的应用领域包括高分辨率雷达成像、宽带无线传输和更好的医学成像。

“主要挑战是温度和电流密度管理。目前，该电路在相对极端的条件下工作，这缩短了晶体管的使用寿命，“Wang 说。

“此外，如果我们将系统扩展到大型 CMOS 阵列，热管理将成为一个关键问题，”他补充道。“它需要更精致的散热器和风扇设计。但是，我们预计这些挑战可以在未来两到四年内得到有效解决。

加州大学洛杉矶分校（University of California Los Angeles）电气和计算机工程教授莫娜·贾拉希（Mona Jarrahi）没有参与这项研究，她称其为高频电子学领域的“开创性成就”。

Jarrahi 说：“这一非凡的进步不仅突破了 CMOS 技术在太赫兹领域的极限，而且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。

“将这种出色的性能扩展到更高的太赫兹频率仍然是许多研究人员正在应对的挑战。晶体管截止频率、器件寄生和互连损耗等物理限制是更高频率运行的主要限制因素。