Прикрепляя тонкий узорчатый лист материала к задней части чипа, выделенный в центре и показанный на микрофотографии левой стороны, исследователи произвели более эффективный, но масштабируемый генератор волн терагерца на основе чипов. Кредит: Массачусетский технологический институт
Использование волн терагерца, которые имеют более короткие длины волн и более высокие частоты, чем радиоволны, может позволить более быструю передачу данных, более точную медицинскую визуализацию и радар с более высоким разрешением.
Но эффективно генерировать волны терагерца с использованием полупроводникового чипа, который необходим для включения в электронные устройства, общеизвестно сложно.
Многие текущие методы не могут генерировать волны с достаточной излучающей мощностью для полезных приложений, если они не используют громоздкие и дорогие кремниевые линзы. Более высокая излучающая сила позволяет сигналам терагерца двигаться дальше. Такие линзы, которые часто больше самого чипа, затрудняют интеграцию источника терагерца в электронное устройство.
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи из MIT разработали систему с усилителем терагерца-усилителя, которая достигает более высокой излучающей мощности, чем существующие устройства без необходимости кремниевых линз.
Прикрепляя тонкий, узорчатый лист материала к задней части чипа и используя более высокие транзисторы Intel, исследователи производили более эффективный, но масштабируемый, основанный на чипах терагерц-генератор.
Этот компактный чип может быть использован для изготовления массивов терагерца для таких приложений, как улучшение сканеров безопасности для обнаружения скрытых объектов или мониторов окружающей среды для определения воздушных загрязняющих веществ.
«Чтобы в полной мере воспользоваться источником волны Terahertz, нам нужно, чтобы он был масштабируемым. У массива Terahertz может быть сотни чипсов, и нет места для размещения кремниевых линз, потому что чипсы сочетаются с такой высокой плотностью.
«Нам нужен другой пакет, и здесь мы продемонстрировали многообещающий подход, который можно использовать для масштабируемых, недорогих терагерц Ведущий автор статьи о радиаторе Terahertz.
Он присоединился к газете аспирантами EECS Даниэль Шин и Сиби Чен; Стивен Ф. Нагель, управляющий директор лаборатории TJ Rodgers RLE; и старший автор Руонан Хан, доцент EECS, который возглавляет Terahertz Integrated Electronics Group. Исследование будет представлено на Международной конференции по твердым состояниям IEEE (ISSCC 2025).
Делать волны
Волны терагерца сидят на электромагнитном спектре между радиоволнами и инфракрасным светом. Их более высокие частоты позволяют им нести больше информации в секунду, чем радиоволны, в то время как они могут безопасно проникнуть в более широкий спектр материалов, чем инфракрасный свет.
Один из способов генерирования Terahertz Waves-с помощью усилителя CMOS-мультипликативной цепи, которая увеличивает частоту радиоволн до тех пор, пока они не достигнут диапазона Terahertz. Чтобы достичь наилучшей производительности, волны проходят через кремниевый чип и в конечном итоге испускают обратно в открытый воздух.
Но свойство, известное как диэлектрическая постоянная, мешает гладкой передаче.
Диэлектрическая постоянная влияет на то, как электромагнитные волны взаимодействуют с материалом. Это влияет на количество излучения, которое поглощается, отражается или передается. Поскольку диэлектрическая постоянная кремния намного выше, чем у воздуха, большинство волн терагерца отражаются на границе силиконового воздуха, а не чистоте.
Поскольку на этой границе теряется большая часть силы сигнала, подходы тока часто используют кремниевые линзы, чтобы повысить мощность оставшегося сигнала.
Исследователи MIT обратились к этой проблеме по -разному.
Они нарисовали электромеханическую теорию, известную как сопоставление. При сопоставлении они стремятся равняться диэлектрическим константам кремния и воздуха, что минимизирует количество сигнала, отражаемого на границе.
Они достигают этого, прикрепив тонкий лист материала, который имеет диэлектрическую постоянную между кремнием и воздухом к задней части чипа. С этим соответствующим листом большинство волн будет передано обратно, а не отражается.
Масштабируемый подход
Они выбрали недорогой, коммерчески доступный материал подложки с диэлектрической постоянной, очень близкой к тому, что им нужно для соответствия. Чтобы улучшить производительность, они использовали лазерный резак, чтобы пробить крошечные отверстия в лист до тех пор, пока его диэлектрическая постоянная не станет правой.
«Поскольку диэлектрическая постоянная воздуха составляет 1, если вы просто разрезаете некоторые отверстия в длине субволны в листе, она эквивалентна инъекции некоторого воздуха, что снижает общую диэлектрическую постоянную константу соответствующего листа», — объясняет Ван.
Кроме того, они разработали свой чип со специальными транзисторами, разработанными Intel, которые имеют более высокую максимальную частоту и напряжение разбивки, чем традиционные CMOS Transistors.
«Эти две вещи, взятые вместе, более мощные транзисторы и диэлектрический лист, а также несколько других небольших инноваций, позволили нам превзойти несколько других устройств», — говорит он.
Их чип сгенерировал терагерц сигналов с пиковой радиационной силой 11,1 децибел-милливатта, лучших среди самых современных методов. Более того, поскольку недорогой чип может быть изготовлен в масштабе, он может быть интегрирован в реальные электронные устройства.
Одной из самых больших проблем разработки масштабируемого чипа было определение того, как управлять мощностью и температурой при генерации волн терагерца.
«Поскольку частота и мощность настолько высоки, многие из стандартных способов разработки чипа CMOS здесь не применимы», — говорит Ван.
Исследователи также должны были разработать метод установки подходящего листа, который можно масштабировать на производственном заводе.
Двигаясь вперед, они хотят продемонстрировать эту масштабируемость, изготовив поэтапный массив источников CMOS Terahertz, позволяя им направлять и сосредоточить мощный терагерц с недорогим компактным устройством.
Предоставлено Массачусетским технологическим институтом
Эта история переиздана любезно предоставлена MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярный сайт, который охватывает новости о исследованиях, инновациях и преподавании MIT.
Цитирование: Система на основе чипов для волн терагерца может обеспечить более эффективную, чувствительную электронику (2025, 20 февраля), извлеченные 20 февраля 2025 года из этого документа, подлежит авторским правам. Помимо каких -либо справедливых сделок с целью частного исследования или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только для информационных целей.
