Die Verwendung von Terahertz-Wellen, die kürzere Wellenlängen und höhere Frequenzen als Funkwellen aufweisen, könnte eine schnellere Datenübertragung, eine genauere medizinische Bildgebung und ein höheres Radar mit höherer Auflösung ermöglichen.
Es ist jedoch notorisch schwierig, terahertz -Wellen mit einem Halbleiterchip mit einem Halbleiterchip zu erzeugen, der für die Einbindung in elektronische Geräte unerlässlich ist.
Viele aktuelle Techniken können keine Wellen mit genügend Strahlenleistung für nützliche Anwendungen erzeugen, es sei denn, sie verwenden sperrige und teure Siliziumlinsen. Eine höhere Strahlungskraft ermöglicht es Terahertz -Signalen, weiter zu reisen. Solche Linsen, die oft größer als der Chip selbst sind, erschweren es schwierig, die Terahertz -Quelle in ein elektronisches Gerät zu integrieren.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelten MIT-Forscher ein Terahertz-Verstärker-Multiplikator-System, das eine höhere Strahlungsleistung erzielt als vorhandene Geräte, ohne dass Siliziumlinsen erforderlich sind.
Durch die Befestigung eines dünnen, gemusterten Materialslaats auf die Rückseite des Chips und die Verwendung von Intel-Transistoren mit höheren Stromversorgung produzierten die Forscher einen effizienteren und dennoch skalierbaren ip-basierten Terahertz-Wellengenerator.
Dieser kompakte Chip könnte verwendet werden, um Terahertz -Arrays für Anwendungen wie verbesserte Sicherheitsscanner zur Erkennung versteckter Objekte oder Umweltmonitore für die Einstellung von Schadstoffen in der Luft zu erfassen.
„Um eine Terahertz -Wellenquelle voll auszunutzen, müssen wir sie skalierbar sein. Ein Terahertz -Array hat möglicherweise Hunderte von Chips, und es gibt keinen Ort, um Siliziumlinsen zu setzen Paket, und hier haben wir einen vielversprechenden Ansatz gezeigt, der für skalierbare, kostengünstige Terahertz-Arrays verwendet werden kann “, sagt Jinchen Wang, ein Doktorand in der Abteilung von Elektrotechnik und Informatik (EECs) und leitender Autor eines Papiers über den Terahertz Kühler.
Er wird von den Studenten der EECS -Absolventen Daniel Sheen und Xibi Chen auf der Zeitung begleitet. Steven F. Nagel, Geschäftsführer des TJ Rodgers Rle Laboratory; und Senior -Autor Ruonan Han, Associate Professor bei EECs, der die Terahertz Integrated Electronics Group leitet. Die Forschung wird auf der IEEE International Solid-States Circuits Conference vorgestellt.
Wellen machen
Terahertz -Wellen sitzen im elektromagnetischen Spektrum zwischen Funkwellen und Infrarotlicht. Ihre höheren Frequenzen ermöglichen es ihnen, mehr Informationen pro Sekunde als Funkwellen zu übertragen, während sie sicher in eine breitere Materialdistet eindringen können als in Infrarotlicht.
Eine Möglichkeit, Terahertz-Wellen zu erzeugen, ist eine CMOS-Chip-basierte Verstärker-Multiplikatorkette, die die Häufigkeit von Funkwellen erhöht, bis sie den Terahertz-Bereich erreichen. Um die beste Leistung zu erzielen, gehen Wellen durch den Silizium -Chip und werden schließlich den Rücken in die offene Luft ausgestrahlt.
Aber eine Eigenschaft, die als dielektrische Konstante bekannt ist, wird einer reibungslosen Übertragung im Wege.
Die dielektrische Konstante beeinflusst, wie elektromagnetische Wellen mit einem Material interagieren. Es beeinflusst die Menge an Strahlung, die absorbiert, reflektiert oder übertragen wird. Da die Dielektrizitätskonstante von Silizium viel höher ist als die der Luft, spiegeln sich die meisten Terahertz-Wellen an der Silizium-Luft-Grenze wider, anstatt sauber aus dem Rücken übertragen zu werden.
Da die meisten Signalstärke an dieser Grenze verloren gehen, verwenden Stromansätze häufig Siliziumlinsen, um die Leistung des verbleibenden Signals zu steigern.
Die MIT -Forscher näherten sich dieses Problem unterschiedlich.
Sie stützten sich auf eine elektromechanische Theorie, die als Matching bekannt ist. Mit der Übereinstimmung versuchen sie, die dielektrischen Konstanten von Silizium und Luft auszurichten, wodurch die an der Grenze reflektierte Signalmenge minimiert wird.
Sie erreichen dies, indem sie ein dünnes Material mit einer Dielektrizitätskonstante zwischen Silizium und Luft auf die Rückseite des Chips aufweisen. Mit diesem passenden Blatt werden die meisten Wellen eher auf dem Rücken übertragen als reflektiert.
Ein skalierbarer Ansatz
Sie wählten ein kostengünstiges, im Handel erhältliches Substratmaterial mit einer Dielektrizitätskonstante sehr nahe an dem, was sie für die Übereinstimmung benötigten. Um die Leistung zu verbessern, verwendeten sie einen Laserschneider, um winzige Löcher in das Blatt zu schlagen, bis seine dielektrische Konstante genau richtig war.
„Da die Dielektrizitätskonstante der Luft 1 beträgt, ist es äquivalent, wenn Sie nur einige Löcher der Unterwellenlänge in das Blatt schneiden, was die gesamte Dielektrizitätskonstante des passenden Blattes senkt“, erklärt Wang.
Darüber hinaus haben sie ihren Chip mit speziellen Transistoren entwickelt, die von Intel entwickelt wurden und eine höhere maximale Frequenz- und Breakdown -Spannung haben als herkömmliche CMOS -Transistoren.
„Diese beiden Dinge, die zusammengenommen haben, die leistungsstärkeren Transistoren und das dielektrische Blatt sowie einige andere kleine Innovationen, ermöglichten es uns, mehrere andere Geräte zu übertreffen“, sagt er.
Ihr Chip erzeugte Terahertz-Signale mit einer Spitzenstrahlung von 11,1 Dezibel-Milliwatts, die am besten unter hochmodernen Techniken. Da der kostengünstige Chip im Maßstab im Maßstab hergestellt werden kann, könnte er leichter in elektronische Geräte in realer Welt integriert werden.
Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung eines skalierbaren Chips bestand darin, zu bestimmen, wie die Leistung und Temperatur bei der Erzeugung von Terahertz -Wellen verwaltet werden können.
„Da die Frequenz und die Leistung so hoch sind, sind hier viele Standardmethoden zum Entwerfen eines CMOS -Chips nicht anwendbar“, sagt Wang.
Die Forscher mussten auch eine Technik zur Installation des passenden Blattes entwickeln, das in einer Produktionsanlage vergrößert werden könnte.
In Zukunft möchten sie diese Skalierbarkeit demonstrieren, indem sie eine schrittweise Anordnung von CMOS Terahertz-Quellen herstellen, sodass sie einen leistungsstarken Terahertz-Strahl mit einem kostengünstigen, kompakten Gerät lenken und fokussieren können.
Diese Forschung wird teilweise vom Jet Propulsion Laboratory und dem strategischen Studienprogramm für Forschungspartnerschaften der Universität und dem MIT -Zentrum für integrierte Schaltkreise und Systeme unterstützt. Der Chip wurde über das Intel University Shuttle -Programm hergestellt.
