11,1 дБм на 260 ГГц: MIT создал рекордно мощный терагерцевый микрочип

Ученые из MIT приблизили мечту о применении терагерцевых волн к реальности, представив устройство, способное генерировать мощное терагерцевое излучение прямо на микрочипе. Терагерцевые волны, располагающиеся между микроволнами и инфракрасным светом, могут не только передавать огромные объемы данных для будущих 6G сетей, но и проникать сквозь плотные материалы, подобно рентгеновскому излучению, однако без опасного ионизирующего эффекта. Проблема заключается в том, что их высокая частота позволяет передавать больше информации, но одновременно создает сложности: волны быстро поглощаются водяным паром, теряются в обычных электронных материалах, таких как медь, и методы их генерации часто оказываются громоздкими или маломощными.

Особенно остро эта задача ощущается при создании чипов, поскольку разница в диэлектрической проницаемости кремния и воздуха приводит к значительному отражению волн на границе раздела. Один из традиционных подходов – использование кремниевых линз для усиления излучения – оказался неэффективным из-за высокой стоимости и значительных габаритов таких элементов. Чтобы обойти эту проблему, исследователи разработали специальную перфорированную пластину, размещенную на задней стороне чипа. Эта структура, состоящая из элементов кремния и воздушных зазоров, обладает промежуточной диэлектрической проницаемостью, что позволяет волнам свободнее переходить из кремния в воздух и минимизировать потери.

Новое устройство включает в себя встроенные усилители с последующим умножением частоты, удваиватели и широкополосные антенны, что позволяет работать в диапазоне от 232 до 260 ГГц. Применение высокомощных транзисторов Intel с напряжением до 6,3 вольта и частотой до 290 ГГц обеспечило пиковую мощность излучения в 11,1 дБм – показатель, превышающий результаты аналогичных решений в диапазоне 200–300 ГГц. Такой чип, выполненный по технологии CMOS и оснащенный дешевой и масштабируемой перфорированной пластиной, может найти применение в высокоточном радарном изображении, широкополосной беспроводной связи и даже в усовершенствованных методах медицинской диагностики.

Несмотря на достигнутый успех, остаются проблемы, связанные с управлением температурой и плотностью тока, что может сокращать срок службы транзисторов, а при увеличении масштабов системы вопросы теплоотвода станут еще более актуальными. Однако исследователи уверены, что с развитием технологий и совершенствованием систем охлаждения данные трудности удастся преодолеть в ближайшие два–четыре года. Эксперты отмечают, что этот прорыв в области высокочастотной электроники открывает новые возможности для дальнейшего развития технологий, даже несмотря на существующие физические ограничения, связанные с характеристиками транзисторов и потерями в межсоединениях.