THz波のためのチップベースシステム

March, 10, 2025, Cambridge--MIT研究社によると、テラヘルツ波用のチップベースシステムは、より効率的で高感度な電子機器を可能にする可能性がある。
研究チームは、かさばるシリコンレンズを使用せずに、チップ上で高出力のテラヘルツ波を生成できるスケーラブルで低コストのデバイスを開発した。
電波よりも波長が短く、周波数が高いテラヘルツ波を利用することで、データ伝送の高速化、医用画像の精度向上、レーダーの高解像度化が可能となる。

しかし、電子機器への組み込みに不可欠な半導体チップを用いてテラヘルツ(THz)波を効果的に発生させることは、難しいことで知られている。

現在の多くの技術は、かさばる高価なシリコンレンズを利用しない限り、有用なアプリケーションに十分な放射力を持つ波を生成することはできない。放射電力が高いほど、THz信号はより遠くまで伝わる。このようなレンズは、チップ自体よりも大きいことが多いため、THz光源を電子機器に組み込むのが難しくなる。

これらの制限を克服するために、MITの研究者は、シリコンレンズを必要とせずに既存のデバイスよりも高い放射電力を実現するTHz増幅器乗算器システムを開発した。

チップの背面に薄いパターン化された材料シートを貼り付け、より高出力のIntelトランジスタを利用することで、研究チームは、より効率的でありながらスケーラブルなチップベースのTHz波発生器を作製した。

このコンパクトなチップは、隠された物体を検出するための改良されたセキュリティスキャナや、空気中の汚染物質を特定するための環境モニタなどのアプリケーション向けのTHzアレイを作成するために使用できる。

「THz波源を最大限に活用するには、拡張性が必要だ。THzアレイには数百のチップがある場合があるが、チップが高密度で組み合わされているため、シリコンレンズを配置する場所はない。われわれは別のパッケージを必要としており、ここでは、スケーラブルで低コストのTHzツアレイに使用できる有望なアプローチを実証した」と、電気工学およびコンピュータサイエンス学部(EECS)の大学院生であり、テラヘルツラジエーターに関する論文の筆頭著者であるJinchen Wangはコメントしている。

波を起こす
THz波は、電波と赤外線の間の電磁スペクトル上にある。周波数が高いため、電波よりも毎秒あたりより多くの情報を運ぶことができ、赤外線よりも広い範囲の材料を安全に透過できる。

THz波を生成する方法の1つは、CMOSチップベースの増幅器-乗算器チェーンを使用して、電波がテラヘルツ範囲に達するまで電波の周波数を増やすことである。最高パフォーマンスを実現するために、波はシリコンチップを通過し、最終的には背面から屋外に放出される。

しかし、誘電率として知られる特性がスムーズな伝送の妨げになる。

誘電率は、電磁波が材料とどのように相互作用するかに影響を与える。これは、吸収、反射、または透過する放射線の量に影響する。シリコンの誘電率は空気の誘電率よりもはるかに高いため、ほとんどのTHz波はシリコンと空気の境界で反射され、背面から楽々と透過されることはない。

この境界ではほとんどの信号強度が失われるため、現在のアプローチでは、シリコンレンズを使用して残りの信号のパワーをブーストすることがよくある。

MITの研究チームは、この問題に異なる方法でアプローチした。

チームは、マッチングとして知られる電気機械理論を利用した。マッチングにより、シリコンと空気の誘電率を等しくしようとし、境界で反射される信号の量を最小限に抑える。

これは、シリコンと空気との間に誘電率を持つ薄い材料シートをチップの背面に貼り付けることによって実現される。このマッチングシートを装着すると、ほとんどの波は反射されずに背面から伝わる。

スケーラブルなアプローチ
チームは、マッチングに必要なものに非常に近い誘電率を持つ、低コストで市販の基板材料を選択した。パフォーマンスを向上させるために、レーザカッターを使用して、誘電率が正確に正確になるまでシートに小さな穴を開けた。

「空気の誘電率は1であるため、シートにサブ波長の穴を開けるだけで、空気を注入することに相当し、マッチングシートの全体的な誘電率が低下する」とWangは説明している。

さらに、チームは、従来のCMOSトランジスタよりも高い最大周波数とブレークダウン電圧を持つIntelによって開発された特別なトランジスタを使用してチップを設計した。

「これら2つの要素、より強力なトランジスタと誘電体シート、さらに他のいくつかの小さなイノベーションを組み合わせることで、他のいくつかのデバイスを凌駕する性能を発揮することができた」(Wang)。

そのチップは、最先端技術の中で最高の11.1デシベルmWのピーク放射電力でTHz信号を生成した。また、低コストのチップを大規模に製造できるため、実世界の電子機器に容易に組み込むことができる。

スケーラブルなチップを開発する際の最大の課題の1つは、THz波を生成する際の電力と温度をどのように管理するかを決定することだった。

「周波数と電力が非常に高いため、CMOSチップを設計する標準的な方法の多くはここでは適用できない」(Wang)。

また、製造施設でスケールアップできるマッチングシートの設置技術も考案する必要があった。

今後は、CMOSテラヘルツ光源のフェーズドアレイを作製し、低コストでコンパクトなデバイスで強力なTHzビームを誘導し集束できるようにすることで、このスケーラビリティを実証したいと考えている。

この研究は、NASAのジェット推進研究所と戦略的大学研究パートナーシッププログラム、およびMIT集積回路およびシステムセンタによって部分的にサポートされてい．。このチップは、Intel University Shuttle Programを通じて製造された。