5/06/2020，光纖在線訊，今年3月份的《自然》期刊刊載了臺(tái)灣交通大學(xué)聯(lián)手臺(tái)積電TSMC一份研究成果。他們成功研制出的號(hào)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(dǎo)體絕緣材料，有望借此進(jìn)一步開發(fā)出2納米甚至1納米制程的芯片。臺(tái)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(shù)如何應(yīng)用到2維半導(dǎo)體材料的檢測(cè)上。

所謂二維半導(dǎo)體材料，網(wǎng)上找到的定義是由單層或少數(shù)層原子或者分子層組成，層內(nèi)由較強(qiáng)的共價(jià)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(jié)合。它們因獨(dú)特的結(jié)構(gòu)而具有奇特的特性與功能。典型的二維半導(dǎo)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(dāng)優(yōu)異的電子傳輸特性，電子遷移率高出傳統(tǒng)硅材料100倍，電導(dǎo)率可達(dá)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(guān)比。

商業(yè)半導(dǎo)體制程如今已經(jīng)到了7nm階段，繼續(xù)往下走，晶體管里的通道勢(shì)必越來越小。若沒有很好的絕緣體，晶體管之間的串?dāng)_會(huì)很大。當(dāng)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�上這篇文章說：“二維半導(dǎo)體的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是避免從相鄰的電介質(zhì)形成電荷散射和陷阱位點(diǎn)。六方氮化硼（hBN）的絕緣范德華層提供了出色的界面電介質(zhì)，有效地減少了電荷的散射。” 與之前不實(shí)用的在熔融金或者塊狀銅箔上生長(zhǎng)hBN工藝不同，這篇文章報(bào)告了在兩英寸c-plane藍(lán)寶石晶圓上的Cu（111）薄膜上單晶hBN單層的外延生長(zhǎng)。對(duì)這篇文章有進(jìn)一步興趣的讀者可以移步https://www.csmnt.com/nami/3115.html ，文章深度實(shí)在已經(jīng)超過了編輯的理解范疇。

回到和蓮光電的數(shù)字光學(xué)技術(shù)上來，基于他們的LCoS-SLM產(chǎn)生的渦旋光（light vortex）的軌道角動(dòng)量（OAM），可以讓傳統(tǒng)的拉曼光譜檢測(cè)儀器進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)2D半導(dǎo)體材料的高速檢測(cè)，從而在下一代半導(dǎo)體工業(yè)占有一席之地（如下圖）。和蓮與合作伙伴臺(tái)灣的光學(xué)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(dǎo)體材料的能階精細(xì)結(jié)構(gòu)可以通過他們的LCoS-SLM所產(chǎn)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(lán)移對(duì)應(yīng)不同的角動(dòng)量量子數(shù)。更深入的了解可以參看 《激光與光電子學(xué)進(jìn)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(chǎng)白：“渦旋光束是一種相位結(jié)構(gòu)為exp(ilϕ)的特殊光場(chǎng)(其中ϕ為方位角,l為軌道角動(dòng)量(OAM)量子數(shù),又稱為拓?fù)浜蓴?shù)),其光振幅在光束中心區(qū)域?yàn)榱?波前為螺旋形,是現(xiàn)代奇點(diǎn)光學(xué)的一個(gè)重要研究分支。渦旋光束的結(jié)構(gòu)具有一系列特殊的物理性質(zhì),如強(qiáng)度呈環(huán)形分布,具有很小的中心暗斑尺寸以及無加熱效應(yīng)和衍射效應(yīng)等,其中最重要的一個(gè)特性是在光束向前傳播的過程中,圍繞光軸的每個(gè)光子攜帶有與螺旋相位結(jié)構(gòu)相關(guān)的光子OAM量子數(shù)l。相較于傳統(tǒng)的高斯光束,渦旋光束在空間場(chǎng)分布多一個(gè)維度。

這里面又涉及一個(gè)概念就是軌道角動(dòng)量。講清楚這個(gè)概念必須從量子力學(xué)出發(fā)。簡(jiǎn)單說，光子也是符合量子力學(xué)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(dòng)量，而任何一個(gè)微觀粒子具有的角動(dòng)量是它的自旋角動(dòng)量與軌道角動(dòng)量之和。自旋角動(dòng)量對(duì)應(yīng)光的偏振態(tài)。而軌道角動(dòng)量就只有渦旋光束才具有。

軌道角動(dòng)量，渦旋光，這些都是和蓮的數(shù)字光學(xué)理想的關(guān)鍵概念。他們目前還只是提供空間光調(diào)制器SLM產(chǎn)品，但是未來這一技術(shù)所展現(xiàn)的前景無論在通信，傳感，還是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)都是無可限量的。