太赫茲波已被提議作為一種強(qiáng)大的工具，可以在潛在的 6G 網(wǎng)絡(luò)中快速傳輸大量數(shù)據(jù)，并看穿 X 射線等固體物質(zhì)——前提是沒(méi)有危險(xiǎn)的電離輻射。然而，事實(shí)證明，將這些想法實(shí)際實(shí)施為實(shí)際應(yīng)用程序是困難的。現(xiàn)在，一個(gè)研究小組表示，他們通過(guò)一種可以在芯片上放置強(qiáng)大太赫茲波的設(shè)備，使太赫茲夢(mèng)想更接近現(xiàn)實(shí)。

太赫茲波位于微波和遠(yuǎn)紅外光之間的電磁波譜中被忽視的部分，通常在 0.1 到 10 太赫茲的范圍內(nèi)。除了能夠穿透許多材料外，太赫茲波還具有比無(wú)線電波更高的頻率，這使它們能夠傳輸更多信息。太赫茲波的缺點(diǎn)是利用它們的物理學(xué)具有挑戰(zhàn)性。它們會(huì)很快被空氣中的水蒸氣吸收，在銅等常用電子材料中會(huì)受到損耗，并且產(chǎn)生這些頻率的方法通常很大或只能在低功率下產(chǎn)生它們。

當(dāng)試圖在芯片中產(chǎn)生太赫茲波時(shí)，由于硅和空氣中的介電常數(shù)之間存在差異，這個(gè)問(wèn)題很明顯。介電常數(shù)是指材料集中電場(chǎng)的能力。當(dāng)波遇到具有不同介電常數(shù)的材料之間的邊界時(shí)，波的一部分被反射，一部分被透射。材料之間的對(duì)比度越大，反射就越大。硅的介電常數(shù)為 11.9，遠(yuǎn)高于空氣的介電常數(shù) （1），因此，太赫茲波在硅和空氣之間的界面處反射。這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的信號(hào)損失。

一種解決方法是將硅透鏡放置在芯片上以提高輻射功率，使太赫茲信號(hào)傳播得更遠(yuǎn)，但這些透鏡很昂貴，而且可能比芯片本身大。

為了克服這一限制，麻省理工學(xué)院的研究人員采取了不同的方法。他們沒(méi)有使用透鏡，而是在芯片的背面連接了一塊特殊的圖案片，以促進(jìn)電磁波從硅到空氣的傳輸。該片材包含許多孔，使其成為一部分是硅和部分空氣，并使其介電常數(shù)介于硅和空氣之間的介電常數(shù)，并允許大多數(shù)波傳輸而不是反射。研究人員實(shí)現(xiàn)了他們所說(shuō)的比現(xiàn)有設(shè)備更高的輻射功率，并且無(wú)需使用硅透鏡。

在最近 2 月下旬于舊金山舉行的 IEEE 國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議上發(fā)表的一篇論文和幻燈片中，該團(tuán)隊(duì)概述了太赫茲輻射器器件如何整合片上放大器乘法器鏈、倍頻器和寬帶領(lǐng)結(jié)形縫隙天線陣列。所有這些加起來(lái)，一個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射在 232 到 260 GHz 之間。

除了介電片外，該芯片還使用了大功率英特爾晶體管，擊穿電壓為 6.3 伏，最大頻率為 290 GHz，高于傳統(tǒng) CMOS 晶體管。據(jù)該團(tuán)隊(duì)稱，該芯片安裝在尺寸為 51 x 40 毫米的印刷電路板上，背面露出介電匹配片，測(cè)得的峰值輻射功率為 11.1 分貝毫瓦，高于 200 至 300 GHz 頻段的同類(lèi)設(shè)備。

介電片并不是一個(gè)新概念，但 CMOS 太赫茲源是其應(yīng)用的理想場(chǎng)景，麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系的研究生 Jinchen Wang 說(shuō)。

散熱器成本低，可以大規(guī)模生產(chǎn)。潛在的應(yīng)用領(lǐng)域包括高分辨率雷達(dá)成像、寬帶無(wú)線傳輸和更好的醫(yī)學(xué)成像。

“主要挑戰(zhàn)是溫度和電流密度管理。目前，該電路在相對(duì)極端的條件下工作，這縮短了晶體管的使用壽命，“Wang 說(shuō)。

“此外，如果我們將系統(tǒng)擴(kuò)展到大型 CMOS 陣列，熱管理將成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，”他補(bǔ)充道?！八枰碌纳崞骱惋L(fēng)扇設(shè)計(jì)。但是，我們預(yù)計(jì)這些挑戰(zhàn)可以在未來(lái)兩到四年內(nèi)得到有效解決。

加州大學(xué)洛杉磯分校（University of California Los Angeles）電氣和計(jì)算機(jī)工程教授莫娜·賈拉希（Mona Jarrahi）沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，她稱其為高頻電子學(xué)領(lǐng)域的“開(kāi)創(chuàng)性成就”。

Jarrahi 說(shuō)：“這一非凡的進(jìn)步不僅突破了 CMOS 技術(shù)在太赫茲領(lǐng)域的極限，而且還提供了高輸出功率、低成本和緊湊集成的前所未有的組合。

“將這種出色的性能擴(kuò)展到更高的太赫茲頻率仍然是許多研究人員正在應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)。晶體管截止頻率、器件寄生和互連損耗等物理限制是更高頻率運(yùn)行的主要限制因素。