近日，受美国国家科学基金会（NSF）资助，加州大学洛杉矶分校（UCLA）宣布启动一项旨在突破现有半导体技术极限的前沿研究计划。该项目的目标是通过电子-光子异质集成技术，提升传统硅基半导体设备的高频操作上限，使其能够生成和检测超过1太赫兹（THz）的电磁辐射。该计划预计将为环境气体检测、工业气体监控、航空推进系统以及科学研究等领域带来重大技术突破。
当前，硅基双极性互补金属氧化物半导体（BiCMOS）芯片在标准硅制造工艺中已能够生成接近1 THz的辐射信号。然而，传统的电子器件（如半导体晶体管和二极管）在如此高的频率下难以产生足够的功率，这主要是由于电子无法在如此快的振荡频率下自由移动。而在1 THz频率下，电子设备与光子设备（如激光器）之间产生了自然的交叉点。光子设备通过受激辐射生成太赫兹光子，不受限于电子的移动速度。这一现象将被用于开发量子级联（QC）光子放大器，放大由硅基BiCMOS芯片生成的微弱太赫兹信号。
为实现这一目标，该项目将采用创新的微制造技术，将BiCMOS电子芯片与III-V族激光芯片紧密集成在共同的硅互连结构上。项目的最终成果将展示一个利用太赫兹信号检测多种气体“光谱指纹”的系统，其中包括几种大气环境毒素。此项研究旨在解决半导体技术的重大挑战之一，即如何将集成电路技术扩展至完全覆盖太赫兹频率范围。
该项目的广泛社会影响包括环境传感（如住宅空气质量、污染监控）、工业和国防领域的气体传感（如能源、推进和行星进入时的气体检测）以及科学研究（如天体物理、火灾科学、燃烧过程）。通过研究生和本科生的科研项目，该项目还将为半导体技术领域培养未来的科技人才，特别是招募来自弱势群体的学生参与科研。
研究计划的技术创新包括：（1）开发一种硅BiCMOS芯片与III-V量子级联激光器增益材料的异质集成系统，该系统将用于生成和检测超过1.5 THz的多异频梳光谱；（2）展示该系统在多气体传感中的应用，尤其是在环境和工业监测中的潜力。该技术将融合CMOS技术的高集成度和信号处理能力与III-V族量子级联激光器的太赫兹功率生成能力，进一步推动半导体技术的发展。
通过开发量子级联光子增益材料和太赫兹硅互连结构，项目团队将提升BiCMOS芯片在太赫兹频段的性能，最终实现用于气体传感的双频梳光谱仪系统。该研究不仅在材料、设备和系统三个层次上具有重要的学术价值，也将在多个应用领域产生广泛的实际影响。
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