看和蓮光電數字光學如何助力半導體新技術

光纖在線編輯部  2020-05-06 14:59:15  文章來源:自我撰寫  版權所有,未經書面許可嚴禁轉載.

導讀:軌道角動量,渦旋光,這些都是和蓮的數字光學理想的關鍵概念。他們目前還只是提供空間光調制器SLM產品,但是未來這一技術所展現的前景無論在通信,傳感,還是半導體產業都是無可限量的

5/06/2020,光纖在線訊,今年3月份的《自然》期刊刊載了臺灣交通大學聯手臺積電TSMC一份研究成果。他們成功研制出的號稱全球最薄、厚度只有0.7納米的基于六方氮化硼(hBN)的超薄二維半導體絕緣材料,有望借此進一步開發出2納米甚至1納米制程的芯片。臺灣和蓮光電的朋友最近找到這篇文章給編輯,又向編輯推薦了他們的技術如何應用到2維半導體材料的檢測上。

所謂二維半導體材料,網上找到的定義是由單層或少數層原子或者分子層組成,層內由較強的共價鍵或離子鍵連接,而層間則由作用力較弱的范德瓦耳斯力結合。它們因獨特的結構而具有奇特的特性與功能。典型的二維半導體材料有石墨烯(單層石墨)和過渡金屬硫化物。石墨烯具有相當優異的電子傳輸特性,電子遷移率高出傳統硅材料100倍,電導率可達106Sm-1。由過渡金屬硫化物(如二硫化鉬(MoS2),二硫化鎢(WS2))制作而成的晶體管則有很高的開關比。

商業半導體制程如今已經到了7nm階段,繼續往下走,晶體管里的通道勢必越來越小。若沒有很好的絕緣體,晶體管之間的串擾會很大。當制程步入3納米以后,過去7納米,5納米所采用的氧化物絕緣體材料將不再適用,氮化硼(BN)材料脫穎而出!蹲匀弧菲诳线@篇文章說:“二維半導體的一個關鍵挑戰是避免從相鄰的電介質形成電荷散射和陷阱位點。六方氮化硼(hBN)的絕緣范德華層提供了出色的界面電介質,有效地減少了電荷的散射! 與之前不實用的在熔融金或者塊狀銅箔上生長hBN工藝不同,這篇文章報告了在兩英寸c-plane藍寶石晶圓上的Cu(111)薄膜上單晶hBN單層的外延生長。對這篇文章有進一步興趣的讀者可以移步https://www.csmnt.com/nami/3115.html ,文章深度實在已經超過了編輯的理解范疇。

回到和蓮光電的數字光學技術上來,基于他們的LCoS-SLM產生的渦旋光(light vortex)的軌道角動量(OAM),可以讓傳統的拉曼光譜檢測儀器進而可以實現對2D半導體材料的高速檢測,從而在下一代半導體工業占有一席之地(如下圖)。和蓮與合作伙伴臺灣的光學顯微鏡廠商南方科技Southport共同提供了這一解決方案。

和蓮光電的Joel Yue博士告訴編輯,半導體材料的能階精細結構可以通過他們的LCoS-SLM所產生的渦旋光的光譜分析獲得。具體來說,渦旋光照射的拉曼光譜之藍移對應不同的角動量量子數。更深入的了解可以參看 《激光與光電子學進展》上這篇文章(http://www.opticsjournal.net/richHtml/lop/2019/56/14/140502.html)。

在上述文章中有這樣的開場白:“渦旋光束是一種相位結構為exp(ilϕ)的特殊光場(其中ϕ為方位角,l為軌道角動量(OAM)量子數,又稱為拓撲荷數),其光振幅在光束中心區域為零,波前為螺旋形,是現代奇點光學的一個重要研究分支。渦旋光束的結構具有一系列特殊的物理性質,如強度呈環形分布,具有很小的中心暗斑尺寸以及無加熱效應和衍射效應等,其中最重要的一個特性是在光束向前傳播的過程中,圍繞光軸的每個光子攜帶有與螺旋相位結構相關的光子OAM量子數l。相較于傳統的高斯光束,渦旋光束在空間場分布多一個維度。

這里面又涉及一個概念就是軌道角動量。講清楚這個概念必須從量子力學出發。簡單說,光子也是符合量子力學的基本粒子,具有自旋特性。光子自旋僅意味著光子本身具有一定的角動量,而任何一個微觀粒子具有的角動量是它的自旋角動量與軌道角動量之和。自旋角動量對應光的偏振態。而軌道角動量就只有渦旋光束才具有。

軌道角動量,渦旋光,這些都是和蓮的數字光學理想的關鍵概念。他們目前還只是提供空間光調制器SLM產品,但是未來這一技術所展現的前景無論在通信,傳感,還是半導體產業都是無可限量的。
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