（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，可以實現更快的資料傳輸、更精確的醫學成像，以及更高解析度的雷達。
然而長期以來，如何讓半導體晶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矽透鏡來增強輻射功率，藉助更強的輻射功率才能讓太赫茲訊號傳得更遠，否則難以實際應用。這類附加裝置往往比晶片本體還要大，導致整個系統臃腫不堪，使得將太赫茲波源整合到電子裝置中面臨巨大挑戰。
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，該裝置在擺脫矽透鏡束縛的同時實現了輻射功率的大幅提升。
他們透過在晶片背部整合特殊設計的超薄材料層，並利用更高功率的電晶體，製造出了一種更高效且可擴充套件的基於晶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，未來可廣泛應用於新一代智慧安檢系統，實現對隱匿物品的毫米級識別；在環境監測領域，可打造高靈敏度的汙染物追蹤網路，即時捕捉空氣中的微量有害物質。
“太赫茲技術的真正價值在於規模化應用。太赫茲陣列可能包含數百顆晶片，根本沒有空間放置矽透鏡，因為這些晶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，“我們開發了一種適用於可擴充套件低成本太赫茲陣列的方法，這種晶片級解決方案適用於高密度陣列需求，其可擴充套件性將極大降低系統成本，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、太赫茲整合電子研究組負責人 Ruonan Han 等。該研究成果將在即將舉行的 IEEE 國際固態電路會議（ISSCC）上正式發表。
解決太赫茲波傳輸瓶頸
在電磁波譜中，太赫茲波介於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資料傳輸；相較於紅外光，它又能安全穿透更多種類的物質。這些特性使其在高速通訊、無損檢測等領域極具應用潛力。
目前主流的太赫茲波生成方案是透過 CMOS 晶片構建的放大倍頻鏈，該鏈路將無線電波逐步提升頻率直至進入太赫茲範圍。
理想狀態下，這些高頻電磁波會穿過矽晶片，最終從背面輻射到空氣中。然而，現實往往存在“最後一公里”的傳輸困境，問題的關鍵卡在了矽與空氣的交界處。
究其原因，主要是兩種介質的介電常數差異。介電常數決定著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。
由於矽材料的介電常數遠遠高於空氣，當太赫茲波抵達矽-空氣介面時會像撞上“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矽透鏡來增強和放大殘餘訊號的功率。
此次，麻省理工學院的團隊另闢蹊徑，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，在晶片背面附著一層特殊設計的超薄材料，以此來平衡矽和空氣的介電常數。
這種材料猶如電磁波傳輸的“緩衝帶”，其介電常數精確介於矽與空氣之間，形成漸進式過渡，從而最小化在邊界處被反射的訊號量。
透過這種梯度設計，太赫茲波在穿越不同介質時的反射率顯著降低，並且還可以避免使用笨重且昂貴的矽透鏡，使整個系統更加緊湊高效。
低成本工藝實現規模化量產
為實現太赫茲晶片的規模化量產，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。
為了進一步提升效能，他們使用雷射切割機在基板表面打了許多微小的孔，透過調整孔隙率將整體介電常數精確調控至目標值。
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，我們透過精密計算孔洞分佈，讓基板的電磁特性完美適配矽與空氣的過渡需求。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，就相當於注入了一些空氣，從而降低了整個匹配薄片的介電常數。”
隨後，他們還使用英特爾開發的特殊電晶體設計了晶片，這些電晶體的最大頻率和擊穿電壓高於傳統的 CMOS 電晶體。
“更強大的電晶體和介電薄片，這兩者的結合再加上其他一些小創新，使我們的裝置效能超過了其他幾種現有裝置。”他說道。
實驗資料顯示，該晶片生成的太赫茲訊號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，由於這種低成本晶片可以大規模製造，它更容易整合到實際的電子裝置中。
在攻克技術難題後，團隊將重心轉向產業化適配。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。“由於頻率和功率都非常高，許多用於設計 CMOS 晶片的標準方法在這裡都不適用。”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，他們希望透過製造一個基於 CMOS 的太赫茲源相控陣列來驗證這種可擴充套件性，這樣就可以用低成本、緊湊型裝置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，以及麻省理工學院積體電路和系統中心的支援。此外，該研究中使用的晶片是透過英特爾大學太空梭專案（Intel University Shuttle Program）製造的。
原文連結：
https://news.mit.edu/2025/chip-based-system-could-enable-more-efficient-sensitive-electronics-0220
