看和莲光电数字光学如何助力半导体新技术

5/06/2020，光纤在线讯，今年3月份的《自然》期刊刊载了台湾交通大学联手台积电TSMC一份研究成果。他们成功研制出的号称全球最薄、厚度只有0.7纳米的基于六方氮化硼（hBN）的超薄二维半导体绝缘材料，有望借此进一步开发出2纳米甚至1纳米制程的芯片。台湾和莲光电的朋友最近找到这篇文章给编辑，又向编辑推荐了他们的技术如何应用到2维半导体材料的检测上。

所谓二维半导体材料，网上找到的定义是由单层或少数层原子或者分子层组成，层内由较强的共价键或离子键连接，而层间则由作用力较弱的范德瓦耳斯力结合。它们因独特的结构而具有奇特的特性与功能。典型的二维半导体材料有石墨烯（单层石墨）和过渡金属硫化物。石墨烯具有相当优异的电子传输特性，电子迁移率高出传统硅材料100倍，电导率可达106Sm-1。由过渡金属硫化物（如二硫化钼(MoS2)，二硫化钨(WS2)）制作而成的晶体管则有很高的开关比。

商业半导体制程如今已经到了7nm阶段，继续往下走，晶体管里的通道势必越来越小。若没有很好的绝缘体，晶体管之间的串扰会很大。当制程步入3纳米以后，过去7纳米，5纳米所采用的氧化物绝缘体材料将不再适用，氮化硼（BN）材料脱颖而出。《自然》期刊上这篇文章说：“二维半导体的一个关键挑战是避免从相邻的电介质形成电荷散射和陷阱位点。六方氮化硼（hBN）的绝缘范德华层提供了出色的界面电介质，有效地减少了电荷的散射。” 与之前不实用的在熔融金或者块状铜箔上生长hBN工艺不同，这篇文章报告了在两英寸c-plane蓝宝石晶圆上的Cu（111）薄膜上单晶hBN单层的外延生长。对这篇文章有进一步兴趣的读者可以移步https://www.csmnt.com/nami/3115.html ，文章深度实在已经超过了编辑的理解范畴。

回到和莲光电的数字光学技术上来，基于他们的LCoS-SLM产生的涡旋光（light vortex）的轨道角动量（OAM），可以让传统的拉曼光谱检测仪器进而可以实现对2D半导体材料的高速检测，从而在下一代半导体工业占有一席之地（如下图）。和莲与合作伙伴台湾的光学显微镜厂商南方科技Southport共同提供了这一解决方案。

和莲光电的Joel Yue博士告诉编辑，半导体材料的能阶精细结构可以通过他们的LCoS-SLM所产生的涡旋光的光谱分析获得。具体来说，涡旋光照射的拉曼光谱之蓝移对应不同的角动量量子数。更深入的了解可以参看 《激光与光电子学进展》上这篇文章（http://www.opticsjournal.net/richHtml/lop/2019/56/14/140502.html）。

在上述文章中有这样的开场白：“涡旋光束是一种相位结构为exp(ilϕ)的特殊光场(其中ϕ为方位角,l为轨道角动量(OAM)量子数,又称为拓扑荷数),其光振幅在光束中心区域为零,波前为螺旋形,是现代奇点光学的一个重要研究分支。涡旋光束的结构具有一系列特殊的物理性质,如强度呈环形分布,具有很小的中心暗斑尺寸以及无加热效应和衍射效应等,其中最重要的一个特性是在光束向前传播的过程中,围绕光轴的每个光子携带有与螺旋相位结构相关的光子OAM量子数l。相较于传统的高斯光束,涡旋光束在空间场分布多一个维度。

这里面又涉及一个概念就是轨道角动量。讲清楚这个概念必须从量子力学出发。简单说，光子也是符合量子力学的基本粒子，具有自旋特性。光子自旋仅意味着光子本身具有一定的角动量，而任何一个微观粒子具有的角动量是它的自旋角动量与轨道角动量之和。自旋角动量对应光的偏振态。而轨道角动量就只有涡旋光束才具有。

轨道角动量，涡旋光，这些都是和莲的数字光学理想的关键概念。他们目前还只是提供空间光调制器SLM产品，但是未来这一技术所展现的前景无论在通信，传感，还是半导体产业都是无可限量的。