Человечество успешно использует радиоволны, рентгеновское излучение, микроволны, инфракрасный свет и другие виды электромагнитных волн. Однако терагерцовые (THz) волны до сих пор остаются во многом загадкой.
Ученые давно знают о терагерцовых волнах, и их уникальные свойства позволяют рассчитывать на широкий спектр применений. Они могут обеспечить сверхбыструю передачу данных, расширить возможности медицинской визуализации и повысить точность мониторинга окружающей среды. Кроме того, способность проникать через различные материалы без вредного ионизирующего воздействия делает их перспективными для использования в системах безопасности, промышленном контроле качества и химическом анализе.
Однако на пути к практическому использованию THz-волн стоит множество технологических ограничений. Исследователи из MIT представили новое решение, которое может устранить эти препятствия и сделать терагерцовые волны более доступными для использования в электронике.
Главный барьер для применения терагерцовых волн
Одной из ключевых проблем при работе с THz-волнами является диэлектрическая проницаемость материалов, то есть их способность накапливать и замедлять электрическое поле. Чем ниже этот показатель, тем легче волны проходят через материал.
Кремний, который широко используется в производстве чипов и электронных схем, обладает высокой диэлектрической проницаемостью. Это приводит к тому, что значительная часть терагерцовых волн отражается на границе кремния и воздуха, вместо того чтобы проходить сквозь материал. "Из-за высокой диэлектрической проницаемости кремния большая часть терагерцового излучения отражается на границе с воздухом, а не выходит наружу," — поясняют авторы исследования.
Одним из распространенных решений является использование кремниевых линз, которые помогают фокусировать и усиливать THz-волны. Они не только генерируют излучение, но и увеличивают его мощность, позволяя передавать сигналы на большие расстояния.
Однако у этого метода есть серьезный недостаток — кремниевые линзы слишком громоздкие и дорогие, а значит, их сложно интегрировать в микросхемы. Без такой интеграции терагерцовые волны нельзя эффективно использовать в электронике.
Новая конструкция чипа
Исследователи MIT предложили инновационный подход, который улучшает прохождение THz-волн через кремниевые чипы. Основной проблемой является отражение волн из-за несоответствия диэлектрических свойств кремния (с проницаемостью 11) и воздуха (проницаемость 1). Чтобы минимизировать эти потери, ученые применили принцип согласования материалов.
Сначала они разместили на обратной стороне чипа тонкий слой специального материала, который помог уменьшить разницу в диэлектрических характеристиках между кремнием и воздухом. Затем с помощью лазера в этом слое были созданы микроскопические отверстия, что позволило еще лучше адаптировать его свойства к распространению THz-волн. В дополнение к этому в чип были встроены высокочастотные транзисторы, разработанные Intel, что позволило усилить генерацию и передачу терагерцового сигнала.
"Комбинация мощных транзисторов, диэлектрического слоя и ряда дополнительных инноваций позволила нам добиться значительного улучшения характеристик", — отметил ведущий автор исследования, аспирант Джинчен Ван.
Результаты экспериментов показали, что новый чип генерирует THz-сигнал с пиковым уровнем мощности 11,1 дБ-мВт, что является лучшим показателем среди существующих технологий. Более того, этот недорогой чип можно производить в промышленных масштабах, что облегчает его интеграцию в реальные электронные устройства.
Однако для создания полноценных терагерцовых передающих систем одного чипа недостаточно — требуется их массив. Следующий этап исследований ученых MIT направлен на масштабирование технологии и производство множества таких чипов.
Работа будет представлена на Международной конференции по твердотельным интегральным схемам IEEE (ISSCC).
