2021年01月04日 | 超表面技术能否让半导体突破性能瓶颈

在电磁波理论和技术的发展过程中，超材料和超表面在学术界受到了很多重视。而随着半导体技术的不断发展，在学术界热门已久的超材料和超表面技术找到了和半导体技术结合的一些重要应用，从而可望能将研究转化成实际产品，从这也将成为半导体行业的一个新机会，从而改变一些重要器件的设计范式。

什么是超表面技术

在传统的理论中，小于波长的器件对于电磁波的传播产生的影响有限。因此在传统的电磁波和光学设计中，器件往往是和电磁波的波长接近（例如天线）或者大于波长（例如光学设计中的透镜）。

而超材料（以及超表面）的理论和设计则直接超越了传统的电磁波设计智慧。确实，单个小于电磁波波长尺度的器件对于电磁波传播能做的很有限，但是如果把大量小于电磁波波长的器件按照一定规律排布起来，则可以以较小的尺寸实现传统电磁波器件的同样功能，甚至实现传统电磁波设计无法实现的特性。所谓超材料，就是指使用大量亚波长尺寸元件按照一定规律排布实现特定电磁特性的设计方法，其中包括把这些亚波长器件按照特定规律在一维，二维或三维空间中排布；而超表面则是超材料中的一种特例，特指把这些亚波长尺寸器件在二维空间中排布实现特定的电磁特性。

超表面技术和半导体技术结合的动力则来源于应用和半导体技术的发展。首先，在超表面设计中，需要实现亚波长尺寸的器件，因此需要能实现精细尺寸的器件。例如，在光学应用中，通常感兴趣的光波长在500nm左右，为了实现亚波长尺寸的器件通常需要工艺能完成100nm以下的精度，而目前来看半导体技术是能实现这类精度的最佳技术。此外，还有来自应用的推动，例如随着无线技术的发展，感兴趣的无线频段的频率越来越高，因此波长也越来越小，随着太赫兹技术（>300GHz频段）应用逐渐进入人们的视野，使用半导体技术来实现针对太赫兹频段的超表面阵列也成为了一个超表面很有前景的方向。

半导体超表面光学技术

超表面光学技术主要使用超表面的设计方法来替代传统的光学设计，或者来实现传统光学设计无法实现的一些新功能。

在替代传统光学设计方面，超表面光学技术的一个重要应用在于微型透镜设计。在传统的基于折射透镜的光学设计中，可见光透镜的尺寸难以做小，因此对于未来一些对于尺寸和重量都有要求的应用（如下一代智能手机和ARVR设备）新的尺寸更小重量更轻的透镜正在得到越来越多的重视，而超表面技术则能很好地满足这一需求。超表面透镜通过在硅或者玻璃晶元上使用半导体光刻技术来实现大规模亚波长尺度器件阵列可以大大缩小透镜的尺寸，并提升透镜的各项参数（例如透光效率等）。例如，超表面研究领域的领军人物，哈佛大学教授Federico Capasso就提出了一种使用成熟的DUV技术实现的大规模超表面透镜，可以在平面玻璃晶圆上实现传统需要凸透镜才能实现的功能，从而大大减小光学设计所需要的尺寸，厚度和重量。

除了轻薄透镜之外，超表面透镜还能实现传统光学设计难以实现的功能。例如，通过超表面设计控制入射光的偏振特性，可以很容易就实现偏振光成像。另外，超表面还可以很方便地实现高性能光频率的选择特性，因此通过超表面透镜阵列可以实现微型光频谱仪等。这些传统透镜无法实现的特性可能会在下一代机器视觉应用中有重要应用，例如通过偏振成像可以帮助辅助驾驶在雨雪天气完成高质量路面视觉检测，而频谱仪则可以用来分析产品质量，化学成分等等。

超表面光学设计的另一个重要革新点在于可以实现半导体光学。在传统的图像传感器模组设计中，通常图像传感器芯片和光学透镜设计在完全不同的工艺和设计流程中实现，然后再完成组装的过程。由于使用了完全不同的工艺，因此组装过程成本较高。而使用超表面光学之后，图像传感器和透镜设计都可以在半导体工艺实现，而两者也可以方便得使用成熟的半导体封装技术以很低的成本和很高的良率封装到一起。因此，我们认为，超表面光学设计可能会给图像传感器模组的设计带来革命性的改变。

半导体超表面太赫兹技术

除了光学设计之外，超表面在无线应用，尤其是毫米波和太赫兹波段的应用中也非常有前景。

随着无线波段频率的升高，电磁波在传播过程中的衰减通常都会变大，而同时在电磁波发射和接收过程中的能量损失也会变大。因此，在无线应用频率升高的同时，一个重要的技术变化是对于这些使用非常高频率电磁波的应用都会需要对电磁波波束做更多处理，例如提高波束的空间方向性以确保电磁波的能量都集中在特定的方向（例如对准接收机的空间方位）。

毫米波和太赫兹技术对于波束的越来越复杂的处理也使得超表面有了可用武之地。通过特定的亚波长尺寸元件阵列设计，超表面可以实现复杂样式的波束成形，包括电磁波的幅度和相位的精确分布控制。更重要的是，使用CMOS技术实现的超表面可以集成晶体管，从而可以使用晶体管来动态控制超表面器件阵列的开关并实时控制超表面的波束成形特性。

超表面用于无线技术方向的一个重要研究是普林斯顿大学Kaushik Sengupta研究组于上个月发表在《自然·电子学》杂志上的论文，该论文中使用65nm标准CMOS工艺实现了一个用于太赫兹频段的超表面芯片，该芯片可以精确实现太赫兹频段的波束控制，并且在超表面中集成了CMOS开关，从而可以动态控制超表面的特性。 

半导体超表面带来的范式转换和中国的机会

半导体超表面技术在光学和无线通信领域都带来了全新的范式转换机会：电磁设计正在从传统的经典宏观器件设计走向由微型器件阵列实现的超表面。在这个过程中，超表面可以实现电磁设计的小型化，并能实现一些传统设计无法完成的特性，包括电磁特性的动态控制等等。通过使用半导体超表面设计，电磁设计的自由度大大上升，同时如何能设计出高性能的超表面也成了一件更加有技术含量的工作。

对于中国来说，半导体超表面技术将是一个巨大的机会。一方面，半导体超表面技术可以使用传统半导体工艺（如65nm）实现，因此中国在这个领域并没有卡脖子的问题。另一方面，中国在超材料和超表面领域的研究已经有不错的积累，而在光学技术和无线技术等半导体超表面的应用领域也有足够完整的产业链，如果能在目前阶段更加重视超表面以及半导体的结合，未来可望能成为该领域在全球的领跑者。