太赫茲波，傳統(tǒng)上稱遠(yuǎn)紅外射線，是指頻率在0.1～10太赫茲范圍的電磁波，波長(zhǎng)大概在0.03～3毫米范圍，介于微波與紅外之間。太赫茲波因其波長(zhǎng)比無(wú)線電波更短、頻率更高，可實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸、更精準(zhǔn)的醫(yī)療成像以及更高分辨率的雷達(dá)探測(cè)。但是，要在半導(dǎo)體芯片上高效地產(chǎn)生太赫茲波卻一直是個(gè)難題，因此其在集成電子設(shè)備中尚難應(yīng)用。

目前，多數(shù)應(yīng)用中是選擇笨重昂貴的硅透鏡來(lái)產(chǎn)生足夠輻射功率的太赫茲波，以盡量高的輻射功率使得太赫茲信號(hào)傳播得更遠(yuǎn)。但這些透鏡通常比芯片本身還大，導(dǎo)致太赫茲波源難以集成到電子設(shè)備中。

為突破這一限制，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種太赫茲波放大倍頻系統(tǒng)，無(wú)須硅透鏡即可實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有設(shè)備更高的輻射功率。通過在芯片背面貼附帶有特殊設(shè)計(jì)的超薄材料，并采用英特爾公司的高功率晶體管，研究人員打造出效率更高且可擴(kuò)展的芯片級(jí)太赫茲波發(fā)生器。

這種緊湊型芯片可用于制造太赫茲波陣列，例如改進(jìn)安檢掃描儀以探測(cè)隱藏物品，或開發(fā)能精確定位空氣污染物的環(huán)境監(jiān)測(cè)器?！耙浞职l(fā)揮太赫茲波源的優(yōu)勢(shì)，必須實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性。一個(gè)太赫茲波陣列可能包含數(shù)百枚芯片，而高密度集成的設(shè)計(jì)根本沒有空間容納硅透鏡。我們需要不同的封裝方案——這項(xiàng)研究展示了一種可用于低成本、可擴(kuò)展太赫茲陣列的可行方法?！闭撐牡谝蛔髡?、麻省理工學(xué)院電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系研究生王金辰（音）解釋道。

太赫茲波位于電磁頻譜中無(wú)線電波與紅外光之間。其更高頻率使其比無(wú)線電波每秒攜帶更多信息，同時(shí)比紅外光能安全穿透更廣泛的材料。

一種生成太赫茲波的方法是通過CMOS芯片的放大倍頻鏈，將無(wú)線電波頻率逐步提升至太赫茲范圍。為實(shí)現(xiàn)最佳性能，波束會(huì)穿過硅芯片最終從背面發(fā)射到空氣中。但介電常數(shù)這一特性會(huì)妨礙傳輸?shù)捻槙承浴?/p>

介電常數(shù)影響電磁波與材料的相互作用，決定輻射被吸收、反射或透射的比例。由于硅的介電常數(shù)遠(yuǎn)高于空氣，大多數(shù)太赫茲波會(huì)在硅-空氣界面被反射而非有效透射。

面對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，運(yùn)用“介電常數(shù)匹配”原理，通過在芯片背面貼附介電常數(shù)介于硅與空氣之間的超薄材料，顯著減少了界面反射，使大部分波束得以透射。

研究團(tuán)隊(duì)選用了一種介電常數(shù)接近匹配需求的低成本商用基板材料，并通過激光切割微孔精確調(diào)控其介電常數(shù)?！翱諝饨殡姵?shù)為1，在材料上切割亞波長(zhǎng)孔洞等效于注入空氣，從而降低整體介電常數(shù)?！蓖踅鸪浇忉尩馈?/p>

此外，芯片設(shè)計(jì)采用了英特爾特制晶體管，其最大頻率和擊穿電壓均優(yōu)于傳統(tǒng)CMOS晶體管。王金辰表示：“強(qiáng)大晶體管與介電匹配層的結(jié)合，加上其他方面的創(chuàng)新，使得我們研制試樣的性能超越了多種現(xiàn)有設(shè)備?！?/p>

該芯片產(chǎn)生的太赫茲信號(hào)峰值輻射功率達(dá)11.1分貝毫瓦，創(chuàng)下當(dāng)前技術(shù)應(yīng)用的最高紀(jì)錄。且低成本芯片可大規(guī)模制造，更易集成到實(shí)際電子設(shè)備中。

研發(fā)過程中，研究人員還需解決太赫茲波生成時(shí)的功率管理與散熱問題?！坝捎陬l率和功率極高，許多標(biāo)準(zhǔn)CMOS芯片設(shè)計(jì)方法在此都不適用?！蓖踅鸪街赋?。團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了適合量產(chǎn)環(huán)境的匹配層安裝工藝。

未來(lái)，他們計(jì)劃通過制造CMOS太赫茲波源相控陣列來(lái)驗(yàn)證可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)用低成本緊湊設(shè)備操控高功率太赫茲波束。