研究人员研发微型高功率太赫兹芯片有望实现制造更高效灵敏的电子设备

太赫兹波，传统上称远红外射线，是指频率在0.1～10太赫兹范围的电磁波，波长大概在0.03～3毫米范围，介于微波与红外之间。太赫兹波因其波长比无线电波更短、频率更高，可实现更快的数据传输、更精准的医疗成像以及更高分辨率的雷达探测。但是，要在半导体芯片上高效地产生太赫兹波却一直是个难题，因此其在集成电子设备中尚难应用。

目前，多数应用中是选择笨重昂贵的硅透镜来产生足够辐射功率的太赫兹波，以尽量高的辐射功率使得太赫兹信号传播得更远。但这些透镜通常比芯片本身还大，导致太赫兹波源难以集成到电子设备中。

为突破这一限制，美国麻省理工学院的研究人员开发了一种太赫兹波放大倍频系统，无须硅透镜即可实现比现有设备更高的辐射功率。通过在芯片背面贴附带有特殊设计的超薄材料，并采用英特尔公司的高功率晶体管，研究人员打造出效率更高且可扩展的芯片级太赫兹波发生器。

这种紧凑型芯片可用于制造太赫兹波阵列，例如改进安检扫描仪以探测隐藏物品，或开发能精确定位空气污染物的环境监测器。“要充分发挥太赫兹波源的优势，必须实现可扩展性。一个太赫兹波阵列可能包含数百枚芯片，而高密度集成的设计根本没有空间容纳硅透镜。我们需要不同的封装方案——这项研究展示了一种可用于低成本、可扩展太赫兹阵列的可行方法。”论文第一作者、麻省理工学院电子工程与计算机科学系研究生王金辰（音）解释道。

太赫兹波位于电磁频谱中无线电波与红外光之间。其更高频率使其比无线电波每秒携带更多信息，同时比红外光能安全穿透更广泛的材料。

一种生成太赫兹波的方法是通过CMOS芯片的放大倍频链，将无线电波频率逐步提升至太赫兹范围。为实现最佳性能，波束会穿过硅芯片最终从背面发射到空气中。但介电常数这一特性会妨碍传输的顺畅性。

介电常数影响电磁波与材料的相互作用，决定辐射被吸收、反射或透射的比例。由于硅的介电常数远高于空气，大多数太赫兹波会在硅-空气界面被反射而非有效透射。

面对这一挑战，研究团队另辟蹊径，运用“介电常数匹配”原理，通过在芯片背面贴附介电常数介于硅与空气之间的超薄材料，显著减少了界面反射，使大部分波束得以透射。

研究团队选用了一种介电常数接近匹配需求的低成本商用基板材料，并通过激光切割微孔精确调控其介电常数。“空气介电常数为1，在材料上切割亚波长孔洞等效于注入空气，从而降低整体介电常数。”王金辰解释道。

此外，芯片设计采用了英特尔特制晶体管，其最大频率和击穿电压均优于传统CMOS晶体管。王金辰表示：“强大晶体管与介电匹配层的结合，加上其他方面的创新，使得我们研制试样的性能超越了多种现有设备。”

该芯片产生的太赫兹信号峰值辐射功率达11.1分贝毫瓦，创下当前技术应用的最高纪录。且低成本芯片可大规模制造，更易集成到实际电子设备中。

研发过程中，研究人员还需解决太赫兹波生成时的功率管理与散热问题。“由于频率和功率极高，许多标准CMOS芯片设计方法在此都不适用。”王金辰指出。团队还开发了适合量产环境的匹配层安装工艺。

未来，他们计划通过制造CMOS太赫兹波源相控阵列来验证可扩展性，实现用低成本紧凑设备操控高功率太赫兹波束。