【前沿資訊】麻省理工學院研發出高效芯片式太赫茲波發生器

    電子設備的性能不斷提升，而對于更高效率和更廣泛應用的需求也日益增長。其中，太赫茲技術因其在諸多領域的巨大潛力而備受關注。然而，在半導體芯片上產生太赫茲波一直是一個充滿挑戰的難題。不過，麻省理工學院的一個團隊最近取得了一項重大突破，他們成功創建了一個基于芯片的太赫茲放大器-倍增器系統，有望為多個領域帶來變革。

    太赫茲波具有獨特的性質，能夠在數據傳輸、醫學成像、高分辨率雷達、環境監測等方面發揮重要作用。傳統的在芯片上產生太赫茲波的方法是使用基于CMOS芯片的放大器-倍增器鏈，通過增加無線電波的頻率使其達到太赫茲范圍，但這種方法存在一個關鍵問題：由于硅的介電常數高于空氣，大多數太赫茲波在硅-空氣邊界處會被反射，導致大量太赫茲信號強度在此處丟失，而用于增強剩余信號功率的硅透鏡又往往體積較大，不利于將太赫茲源集成到電子設備中。

    為了解決這一難題，麻省理工學院的研究人員采取了一種創新的方法。他們使用匹配材料來平衡硅和空氣的介電常數，具體而言，就是在芯片背面貼上一層介電常數介于硅和空氣之間的薄片。這一巧妙的設計顯著增加了太赫茲波的傳輸，減少了反射，從而將邊界處的信號強度損失降至最低。

    在選擇匹配元件時，研究人員考慮到了成本和實用性等因素。他們選用了一種低成本、市售的基板材料，其介電常數接近他們所需的值。為了進一步精確調整介電常數以滿足需求，他們利用激光切割機在材料上打出小孔。正如研究員JinchenWang所解釋的，“由于空氣的介電常數為1，如果你在薄片上切一些亞波長孔，就相當于注入了一些空氣，從而降低了匹配薄片的整體介電常數”。

    此外，為了進一步提高芯片的性能，研究人員還在芯片的設計中加入了英特爾開發的晶體管。這種晶體管的最大頻率和擊穿電壓高于傳統的CMOS晶體管。JinchenWang表示，“這兩點結合起來，更強大的晶體管和介電薄片，再加上一些其他小創新，使我們的性能超越了其他幾種設備”。

    該芯片展現出了強大的能力，能夠產生峰值輻射功率為11.1分貝毫瓦的太赫茲信號，實現了比現有最先進技術更高的太赫茲輻射功率。而且，這一成果還具有可大規模生產的潛力。不過，要確保其可擴展性，研究人員還需要解決一些關鍵問題，比如確定芯片在產生太赫茲波時如何管理功率和溫度，以及設計一種可擴展的技術以便在制造工廠安裝匹配板。JinchenWang強調，“要充分利用太赫茲波源，我們需要它具有可擴展性”，他們計劃通過制造CMOS太赫茲源相控陣來展示該芯片的可擴展性，這將使得使用低成本、緊湊的設備聚焦強大的太赫茲光束成為可能。

    這項具有重要意義的研究于2025年2月16日至20日在舊金山舉行的IEEE國際固態電路會議(ISSCC)上發表。麻省理工學院團隊的這一創新成果為太赫茲技術的發展和應用開辟了新的道路，有望推動電子設備和基于芯片的應用邁向更高的效率和更廣泛的用途，讓我們期待這一技術在未來能夠帶來更多的驚喜和突破。