（来源：MIT News）
太赫兹波（Terahertz waves，简称 THz 波）在电磁波谱中(zhōng)的频率(lǜ)范围在 0.1-10 太赫兹之间，其应用(yòng)前景广阔，可以实现更快的数据传输、更精确的医學(xué)成像，以及更高(gāo)分(fēn)辨率(lǜ)的雷达。
然而长期以来，如何让半导体芯片(piàn)高(gāo)效产生大功率(lǜ)太赫兹波，始终是制约这项技术落地的关键瓶(píng)颈。
现有主流方案依赖体积庞大且昂貴(guì)的硅透镜来增强辐射功率(lǜ)，借助更强的辐射功率(lǜ)才能让太赫兹信号传得更远，否则难以实际应用(yòng)。这类附加装置往往比芯片(piàn)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設(shè)备中(zhōng)面临巨大挑战。
为克服这些限制，麻省理工學(xué)院的研发团队开发出一种新(xīn)型太赫兹放(fàng)大倍频系统，该設(shè)备在摆脱硅透镜束缚的同時(shí)实现了辐射功率(lǜ)的大幅提升。
他们通过在芯片(piàn)背部集成特殊設(shè)计的超薄(báo)材(cái)料层，并利用(yòng)更高(gāo)功率(lǜ)的晶体管，制造出了一种更高(gāo)效且可扩展的基于芯片(piàn)的太赫兹波发生器。
这项微型化(huà)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(yòng)于新(xīn)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(gāo)灵敏度的污染物追踪网络，实時(shí)捕捉空气中(zhōng)的微量有害物质。
“太赫兹技术的真正价值在于规模化(huà)应用(yòng)。太赫兹阵列可能包含数百颗芯片(piàn)，根本没有空间放(fàng)置硅透镜，因为这些芯片(piàn)是以极高(gāo)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、麻省理工學(xué)院电子工程与计算机科學(xué)系研究生王金辰表示，“我们开发了一种适用(yòng)于可扩展低成本太赫兹阵列的方法，这种芯片(piàn)级解决方案适用(yòng)于高(gāo)密度阵列需求，其可扩展性将极大降低系统成本，为商业化(huà)应用(yòng)扫清障碍。”
研究团队成员还包括电子工程与计算机科學(xué)系研究生 Daniel Sheen、Xibi Chen、T.J. Rodgers RLE 实验室常(cháng)务董事 Steven F. Nagle，以及电子工程与计算机科學(xué)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。
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解决太赫兹波传输瓶(píng)颈
在电磁波谱中(zhōng)，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(gāo)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(gāo)速通信、无损检测等领域极具应用(yòng)潜力。
目前主流的太赫兹波生成方案是通过 CMOS 芯片(piàn)构建的放(fàng)大倍频链，该链路将无线电波逐步提升频率(lǜ)直至进入太赫兹范围。
理想状态下，这些高(gāo)频电磁波会穿过硅芯片(piàn)，最终从背面辐射到空气中(zhōng)。然而，现实往往存在“最後(hòu)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(cháng)数差异。介电常(cháng)数决定着电磁波与材(cái)料的相互作用(yòng)方式，直接影响电磁波的吸收、反射与透射比例。
由于硅材(cái)料的介电常(cháng)数远远高(gāo)于空气，当太赫兹波抵达硅-空气界面時(shí)会像撞上“电磁反射墙”般被弹回，仅有少部分(fēn)能穿透到空气中(zhōng)。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(fàng)大残余信号的功率(lǜ)。
此次，麻省理工學(xué)院的团队另辟蹊径，从经典电磁學(xué)理论中(zhōng)找到突破口。他们引入“介电常(cháng)数匹(pǐ)配”原理，在芯片(piàn)背面附着一层特殊設(shè)计的超薄(báo)材(cái)料，以此来平衡硅和空气的介电常(cháng)数。
这种材(cái)料犹如电磁波传输的“缓冲带”，其介电常(cháng)数精确介于硅与空气之间，形成渐进式过渡，从而最小(xiǎo)化(huà)在边界处被反射的信号量。
通过这种梯度設(shè)计，太赫兹波在穿越不同介质時(shí)的反射率(lǜ)显著降低，并且还可以避免使用(yòng)笨重且昂貴(guì)的硅透镜，使整个系统更加紧凑高(gāo)效。
低成本工艺实现规模化(huà)量产
为实现太赫兹芯片(piàn)的规模化(huà)量产，首先，研究人员选用(yòng)了一种低成本且市面上可买到的基板材(cái)料，其介电常(cháng)数非常(cháng)接近他们所需的匹(pǐ)配值。
为了进一步提升性能，他们使用(yòng)激光切割机在基板表面打了许多微小(xiǎo)的孔，通过调整孔隙率(lǜ)将整体介电常(cháng)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(zhōng)掺入气泡形成轻质砖，我们通过精密计算孔洞分(fēn)布，让基板的电磁特性完美(měi)适配硅与空气的过渡需求。因为空气的介电常(cháng)数是 1，在薄(báo)片(piàn)上切出一些亚波长的小(xiǎo)孔，就相当于注入了一些空气，从而降低了整个匹(pǐ)配薄(báo)片(piàn)的介电常(cháng)数。”
随後(hòu)，他们还使用(yòng)英特尔开发的特殊晶体管設(shè)计了芯片(piàn)，这些晶体管的最大频率(lǜ)和击穿电压高(gāo)于传统的 CMOS 晶体管。
“更强大的晶体管和介电薄(báo)片(piàn)，这两者的结合再加上其他一些小(xiǎo)创新(xīn)，使我们的設(shè)备性能超过了其他几种现有設(shè)备。”他说道。
实验数据显示，该芯片(piàn)生成的太赫兹信号峰值辐射功率(lǜ)达到了 11.1 分(fēn)贝毫瓦，是目前先进技术中(zhōng)较高(gāo)的功率(lǜ)数值。更关键的是，由于这种低成本芯片(piàn)可以大规模制造，它更容易集成到实际的电子設(shè)备中(zhōng)。
在攻克技术难题後(hòu)，团队将重心转向产业化(huà)适配。传统 CMOS 設(shè)计规范在太赫兹频段遭遇严峻挑战，高(gāo)频运作带来的散热问题与功率(lǜ)密度限制成为量产瓶(píng)颈。“由于频率(lǜ)和功率(lǜ)都非常(cháng)高(gāo)，许多用(yòng)于設(shè)计 CMOS 芯片(piàn)的标准方法在这里都不适用(yòng)。”王金辰指出。
此外，研究人员还需要設(shè)计一种可以在现有工厂中(zhōng)大规模应用(yòng)的安装匹(pǐ)配片(piàn)材(cái)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(yòng)低成本、紧凑型設(shè)备实现对强大太赫兹波束的控制和聚焦。
这项研究部分(fēn)得到了美(měi)国国家航空航天局喷气推进实验室和大學(xué)研究伙伴计划，以及麻省理工學(xué)院集成电路和系统中(zhōng)心的支持。此外，该研究中(zhōng)使用(yòng)的芯片(piàn)是通过英特尔大學(xué)航天飞机项目（Intel University Shuttle Program）制造的。
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