今天小編分享的科技經驗：未來手機也能拍X光？微型高功率太赫茲芯片問世，歡迎閲讀。
（來源：MIT News）
太赫茲波（Terahertz waves，簡稱 THz 波）在電磁波譜中的頻率範圍在 0.1-10 太赫茲之間，其應用前景廣闊，可以實現更快的數據傳輸、更精确的醫學成像，以及更高分辨率的雷達。
然而長期以來，如何讓半導體芯片高效產生大功率太赫茲波，始終是制約這項技術落地的關鍵瓶頸。
現有主流方案依賴體積龐大且昂貴的硅透鏡來增強輻射功率，借助更強的輻射功率才能讓太赫茲信号傳得更遠，否則難以實際應用。這類附加裝置往往比芯片本體還要大，導致整個系統臃腫不堪，使得将太赫茲波源集成到電子設備中面臨巨大挑戰。
為克服這些限制，麻省理工學院的研發團隊開發出一種新型太赫茲放大倍頻系統，該設備在擺脱硅透鏡束縛的同時實現了輻射功率的大幅提升。
他們通過在芯片背部集成特殊設計的超薄材料層，并利用更高功率的晶體管，制造出了一種更高效且可擴展的基于芯片的太赫茲波發生器。
這項微型化技術突破使構建緊湊型太赫茲陣列成為可能，未來可廣泛應用于新一代智能安檢系統，實現對隐匿物品的毫米級識别；在環境監測領網域，可打造高靈敏度的污染物追蹤網絡，實時捕捉空氣中的微量有害物質。
" 太赫茲技術的真正價值在于規模化應用。太赫茲陣列可能包含數百顆芯片，根本沒有空間放置硅透鏡，因為這些芯片是以極高的密度組合在一起的，所以我們需要一種不同的封裝方式。" 這篇研究論文的第一作者、麻省理工學院電子工程與計算機科學系研究生王金辰表示，" 我們開發了一種适用于可擴展低成本太赫茲陣列的方法，這種芯片級解決方案适用于高密度陣列需求，其可擴展性将極大降低系統成本，為商業化應用掃清障礙。"
研究團隊成員還包括電子工程與計算機科學系研究生 Daniel Sheen、Xibi Chen、T.J. Rodgers RLE 實驗室常務董事 Steven F. Nagle，以及電子工程與計算機科學系副教授、太赫茲集成電子研究組負責人 Ruonan Han 等。該研究成果将在即将舉行的 IEEE 國際固态電路會議（ISSCC）上正式發表。
解決太赫茲波傳輸瓶頸
在電磁波譜中，太赫茲波介于無線電波和紅外光之間，這種 " 黃金波段 " 具備雙重優勢，相比傳統無線電波，其更高頻段特性可實現每秒海量數據傳輸；相較于紅外光，它又能安全穿透更多種類的物質。這些特性使其在高速通信、無損檢測等領網域極具應用潛力。
目前主流的太赫茲波生成方案是通過 CMOS 芯片構建的放大倍頻鏈，該鏈路将無線電波逐步提升頻率直至進入太赫茲範圍。
理想狀态下，這些高頻電磁波會穿過硅芯片，最終從背面輻射到空氣中。然而，現實往往存在 " 最後一公裏 " 的傳輸困境，問題的關鍵卡在了硅與空氣的交界處。
究其原因，主要是兩種介質的介電常數差異。介電常數決定着電磁波與材料的相互作用方式，直接影響電磁波的吸收、反射與透射比例。
由于硅材料的介電常數遠遠高于空氣，當太赫茲波抵達硅 - 空氣界面時會像撞上 " 電磁反射牆 " 般被彈回，僅有少部分能穿透到空氣中。這一能量損耗難題，迫使現有技術不得不依賴硅透鏡來增強和放大殘餘信号的功率。
此次，麻省理工學院的團隊另辟蹊徑，從經典電磁學理論中找到突破口。他們引入 " 介電常數匹配 " 原理，在芯片背面附着一層特殊設計的超薄材料，以此來平衡硅和空氣的介電常數。
這種材料猶如電磁波傳輸的 " 緩衝帶 "，其介電常數精确介于硅與空氣之間，形成漸進式過渡，從而最小化在邊界處被反射的信号量。
通過這種梯度設計，太赫茲波在穿越不同介質時的反射率顯著降低，并且還可以避免使用笨重且昂貴的硅透鏡，使整個系統更加緊湊高效。
低成本工藝實現規模化量產
為實現太赫茲芯片的規模化量產，首先，研究人員選用了一種低成本且市面上可買到的基板材料，其介電常數非常接近他們所需的匹配值。
為了進一步提升性能，他們使用激光切割機在基板表面打了許多微小的孔，通過調整孔隙率将整體介電常數精确調控至目标值。
對此，王金辰形象地解釋道，" 就像在混凝土中摻入氣泡形成輕質磚，我們通過精密計算孔洞分布，讓基板的電磁特性完美适配硅與空氣的過渡需求。因為空氣的介電常數是 1，在薄片上切出一些亞波長的小孔，就相當于注入了一些空氣，從而降低了整個匹配薄片的介電常數。"
随後，他們還使用英特爾開發的特殊晶體管設計了芯片，這些晶體管的最大頻率和擊穿電壓高于傳統的 CMOS 晶體管。
" 更強大的晶體管和介電薄片，這兩者的結合再加上其他一些小創新，使我們的設備性能超過了其他幾種現有設備。" 他説道。
實驗數據顯示，該芯片生成的太赫茲信号峰值輻射功率達到了 11.1 分貝毫瓦，是目前先進技術中較高的功率數值。更關鍵的是，由于這種低成本芯片可以大規模制造，它更容易集成到實際的電子設備中。
在攻克技術難題後，團隊将重心轉向產業化适配。傳統 CMOS 設計規範在太赫茲頻段遭遇嚴峻挑戰，高頻運作帶來的散熱問題與功率密度限制成為量產瓶頸。" 由于頻率和功率都非常高，許多用于設計 CMOS 芯片的标準方法在這裏都不适用。" 王金辰指出。
此外，研究人員還需要設計一種可以在現有工廠中大規模應用的安裝匹配片材的技術。
展望未來，他們希望通過制造一個基于 CMOS 的太赫茲源相控陣列來驗證這種可擴展性，這樣就可以用低成本、緊湊型設備實現對強大太赫茲波束的控制和聚焦。
這項研究部分得到了美國國家航空航天局噴氣推進實驗室和大學研究夥伴計劃，以及麻省理工學院集成電路和系統中心的支持。此外，該研究中使用的芯片是通過英特爾大學航天飛機項目（Intel University Shuttle Program）制造的。
