在電磁波理論和技術(shù)的發(fā)展過程中，超材料和超表面在學術(shù)界受到了很多重視。而隨著半導體技術(shù)的不斷發(fā)展，在學術(shù)界熱門已久的超材料和超表面技術(shù)找到了和半導體技術(shù)結(jié)合的一些重要應(yīng)用，從而可望能將研究轉(zhuǎn)化成實際產(chǎn)品，從這也將成為半導體行業(yè)的一個新機會，從而改變一些重要器件的設(shè)計范式。

什么是超表面技術(shù)

在傳統(tǒng)的理論中，小于波長的器件對于電磁波的傳播產(chǎn)生的影響有限。因此在傳統(tǒng)的電磁波和光學設(shè)計中，器件往往是和電磁波的波長接近（例如天線）或者大于波長（例如光學設(shè)計中的透鏡）。

而超材料（以及超表面）的理論和設(shè)計則直接超越了傳統(tǒng)的電磁波設(shè)計智慧。確實，單個小于電磁波波長尺度的器件對于電磁波傳播能做的很有限，但是如果把大量小于電磁波波長的器件按照一定規(guī)律排布起來，則可以以較小的尺寸實現(xiàn)傳統(tǒng)電磁波器件的同樣功能，甚至實現(xiàn)傳統(tǒng)電磁波設(shè)計無法實現(xiàn)的特性。所謂超材料，就是指使用大量亞波長尺寸元件按照一定規(guī)律排布實現(xiàn)特定電磁特性的設(shè)計方法，其中包括把這些亞波長器件按照特定規(guī)律在一維，二維或三維空間中排布；而超表面則是超材料中的一種特例，特指把這些亞波長尺寸器件在二維空間中排布實現(xiàn)特定的電磁特性。

超表面技術(shù)和半導體技術(shù)結(jié)合的動力則來源于應(yīng)用和半導體技術(shù)的發(fā)展。首先，在超表面設(shè)計中，需要實現(xiàn)亞波長尺寸的器件，因此需要能實現(xiàn)精細尺寸的器件。例如，在光學應(yīng)用中，通常感興趣的光波長在500nm左右，為了實現(xiàn)亞波長尺寸的器件通常需要工藝能完成100nm以下的精度，而目前來看半導體技術(shù)是能實現(xiàn)這類精度的最佳技術(shù)。此外，還有來自應(yīng)用的推動，例如隨著無線技術(shù)的發(fā)展，感興趣的無線頻段的頻率越來越高，因此波長也越來越小，隨著太赫茲技術(shù)（>300GHz頻段）應(yīng)用逐漸進入人們的視野，使用半導體技術(shù)來實現(xiàn)針對太赫茲頻段的超表面陣列也成為了一個超表面很有前景的方向。

半導體超表面光學技術(shù)

超表面光學技術(shù)主要使用超表面的設(shè)計方法來替代傳統(tǒng)的光學設(shè)計，或者來實現(xiàn)傳統(tǒng)光學設(shè)計無法實現(xiàn)的一些新功能。

在替代傳統(tǒng)光學設(shè)計方面，超表面光學技術(shù)的一個重要應(yīng)用在于微型透鏡設(shè)計。在傳統(tǒng)的基于折射透鏡的光學設(shè)計中，可見光透鏡的尺寸難以做小，因此對于未來一些對于尺寸和重量都有要求的應(yīng)用（如下一代智能手機和ARVR設(shè)備）新的尺寸更小重量更輕的透鏡正在得到越來越多的重視，而超表面技術(shù)則能很好地滿足這一需求。超表面透鏡通過在硅或者玻璃晶元上使用半導體光刻技術(shù)來實現(xiàn)大規(guī)模亞波長尺度器件陣列可以大大縮小透鏡的尺寸，并提升透鏡的各項參數(shù)（例如透光效率等）。例如，超表面研究領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，哈佛大學教授Federico Capasso就提出了一種使用成熟的DUV技術(shù)實現(xiàn)的大規(guī)模超表面透鏡，可以在平面玻璃晶圓上實現(xiàn)傳統(tǒng)需要凸透鏡才能實現(xiàn)的功能，從而大大減小光學設(shè)計所需要的尺寸，厚度和重量。

除了輕薄透鏡之外，超表面透鏡還能實現(xiàn)傳統(tǒng)光學設(shè)計難以實現(xiàn)的功能。例如，通過超表面設(shè)計控制入射光的偏振特性，可以很容易就實現(xiàn)偏振光成像。另外，超表面還可以很方便地實現(xiàn)高性能光頻率的選擇特性，因此通過超表面透鏡陣列可以實現(xiàn)微型光頻譜儀等。這些傳統(tǒng)透鏡無法實現(xiàn)的特性可能會在下一代機器視覺應(yīng)用中有重要應(yīng)用，例如通過偏振成像可以幫助輔助駕駛在雨雪天氣完成高質(zhì)量路面視覺檢測，而頻譜儀則可以用來分析產(chǎn)品質(zhì)量，化學成分等等。

超表面光學設(shè)計的另一個重要革新點在于可以實現(xiàn)半導體光學。在傳統(tǒng)的圖像傳感器模組設(shè)計中，通常圖像傳感器芯片和光學透鏡設(shè)計在完全不同的工藝和設(shè)計流程中實現(xiàn)，然后再完成組裝的過程。由于使用了完全不同的工藝，因此組裝過程成本較高。而使用超表面光學之后，圖像傳感器和透鏡設(shè)計都可以在半導體工藝實現(xiàn)，而兩者也可以方便得使用成熟的半導體封裝技術(shù)以很低的成本和很高的良率封裝到一起。因此，我們認為，超表面光學設(shè)計可能會給圖像傳感器模組的設(shè)計帶來革命性的改變。

半導體超表面太赫茲技術(shù)

除了光學設(shè)計之外，超表面在無線應(yīng)用，尤其是毫米波和太赫茲波段的應(yīng)用中也非常有前景。

隨著無線波段頻率的升高，電磁波在傳播過程中的衰減通常都會變大，而同時在電磁波發(fā)射和接收過程中的能量損失也會變大。因此，在無線應(yīng)用頻率升高的同時，一個重要的技術(shù)變化是對于這些使用非常高頻率電磁波的應(yīng)用都會需要對電磁波波束做更多處理，例如提高波束的空間方向性以確保電磁波的能量都集中在特定的方向（例如對準接收機的空間方位）。

毫米波和太赫茲技術(shù)對于波束的越來越復雜的處理也使得超表面有了可用武之地。通過特定的亞波長尺寸元件陣列設(shè)計，超表面可以實現(xiàn)復雜樣式的波束成形，包括電磁波的幅度和相位的精確分布控制。更重要的是，使用CMOS技術(shù)實現(xiàn)的超表面可以集成晶體管，從而可以使用晶體管來動態(tài)控制超表面器件陣列的開關(guān)并實時控制超表面的波束成形特性。

超表面用于無線技術(shù)方向的一個重要研究是普林斯頓大學Kaushik Sengupta研究組于上個月發(fā)表在《自然·電子學》雜志上的論文，該論文中使用65nm標準CMOS工藝實現(xiàn)了一個用于太赫茲頻段的超表面芯片，該芯片可以精確實現(xiàn)太赫茲頻段的波束控制，并且在超表面中集成了CMOS開關(guān)，從而可以動態(tài)控制超表面的特性。

半導體超表面帶來的范式轉(zhuǎn)換和中國的機會

半導體超表面技術(shù)在光學和無線通信領(lǐng)域都帶來了全新的范式轉(zhuǎn)換機會：電磁設(shè)計正在從傳統(tǒng)的經(jīng)典宏觀器件設(shè)計走向由微型器件陣列實現(xiàn)的超表面。在這個過程中，超表面可以實現(xiàn)電磁設(shè)計的小型化，并能實現(xiàn)一些傳統(tǒng)設(shè)計無法完成的特性，包括電磁特性的動態(tài)控制等等。通過使用半導體超表面設(shè)計，電磁設(shè)計的自由度大大上升，同時如何能設(shè)計出高性能的超表面也成了一件更加有技術(shù)含量的工作。

對于中國來說，半導體超表面技術(shù)將是一個巨大的機會。一方面，半導體超表面技術(shù)可以使用傳統(tǒng)半導體工藝（如65nm）實現(xiàn)，因此中國在這個領(lǐng)域并沒有卡脖子的問題。另一方面，中國在超材料和超表面領(lǐng)域的研究已經(jīng)有不錯的積累，而在光學技術(shù)和無線技術(shù)等半導體超表面的應(yīng)用領(lǐng)域也有足夠完整的產(chǎn)業(yè)鏈，如果能在目前階段更加重視超表面以及半導體的結(jié)合，未來可望能成為該領(lǐng)域在全球的領(lǐng)跑者。
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