來(lái)源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

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多個(gè)行業(yè)有望受益于量子傳感創(chuàng)新。

與傳統(tǒng)傳感器相比，量子傳感器的靈敏度大幅提升，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)全新的傳感功能。預(yù)計(jì)多個(gè)行業(yè)將受益于量子傳感創(chuàng)新，包括原子鐘、量子磁力儀、量子陀螺儀等。

然而，將量子傳感器從實(shí)驗(yàn)室原型轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品需要優(yōu)化其尺寸、重量、功率和成本（簡(jiǎn)稱 SWaP-C）。正如 IDTechEx 最近的一份報(bào)告所探討的那樣，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最成功方法是盡可能多地在高度可擴(kuò)展的半導(dǎo)體制造工藝中制造傳感器。通過(guò)現(xiàn)在更高效地生產(chǎn)量子傳感所必需的組件，那些融入價(jià)值鏈的半導(dǎo)體工廠將獲得最大的回報(bào)。

蒸汽室是許多量子傳感器的核心

玻璃蒸汽室使激光能夠與所含的原子氣體樣本相互作用。它們是使用原子干涉法的量子傳感器的核心。這些傳感器包括早期的量子射頻傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀，也包括更先進(jìn)的芯片級(jí)原子鐘和 OPM（光泵磁力計(jì)）。蒸汽室的可擴(kuò)展制造對(duì)于這些量子傳感器的大規(guī)模生產(chǎn)至關(guān)重要。

吹制玻璃是制造蒸汽室的傳統(tǒng)技術(shù)，雖然吹制玻璃可用于微制造球形蒸汽室，但是其曲面會(huì)散射入射光，因此其制造尺寸的微小程度存在限制。

相反，在晶圓級(jí)半導(dǎo)體制造工藝中生產(chǎn)蒸汽室已經(jīng)得到證實(shí)，并有可能為量子傳感器批量生產(chǎn)高度規(guī)則的蒸汽室。該工藝涉及將每個(gè)單元腔蝕刻到玻璃晶片中，然后用原子物種填充該晶片，然后與另一個(gè)玻璃表面粘合以實(shí)現(xiàn)密封。該領(lǐng)域充滿了創(chuàng)新，包括使用替代玻璃、各種蝕刻和粘合技術(shù)以及保護(hù)或增強(qiáng)性能的薄膜涂層。

激光技術(shù)的進(jìn)步對(duì)于量子傳感器至關(guān)重要

量子傳感器中最常用的組件之一是激光器。相干窄帶光對(duì)于操縱金剛石中的原子狀態(tài)和氮空位中心至關(guān)重要。然而，在降低激光器尺寸和成本的同時(shí)，保持所需波長(zhǎng)的穩(wěn)定性和功率是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。激光技術(shù)的創(chuàng)新影響著量子技術(shù)以外的行業(yè)，包括電信、醫(yī)療設(shè)備、激光雷達(dá)等。

垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL) 是一種可在晶圓級(jí)上大規(guī)模制造的半導(dǎo)體激光二極管。與傳統(tǒng)的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器不同，VCSEL 會(huì)從芯片中直接發(fā)射出垂直于其頂面的光束。除了制造和測(cè)試方面的優(yōu)勢(shì)外，這還允許將其他組件直接堆疊在 VCSEL 頂部，從而實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)量子傳感器。

盡管 VCSEL 發(fā)明于 20 世紀(jì) 70 年代末，但隨著 2010 年代末 VCSEL 在智能手機(jī)中的應(yīng)用，以及其在汽車紅外攝像頭和數(shù)據(jù)中心互連中的廣泛應(yīng)用，近年來(lái) VCSEL 的需求大幅增長(zhǎng)。VCSEL 在其他應(yīng)用中的普及直接惠及氣體激光雷達(dá)等量子成像技術(shù)，這些技術(shù)也需要緊湊型聚焦 SWIR（900-1550nm）光源。

然而，用于原子量子傳感器的 VCSEL 的要求略有不同。控制相關(guān)原子躍遷所需的波長(zhǎng)通常在 700-900nm 范圍內(nèi)，并且通常需要窄線寬和對(duì)環(huán)境變化的高穩(wěn)定性。

盡管如此，微波芯片級(jí)原子鐘已經(jīng)通過(guò)使用 VCSEL 和微加工蒸汽室成功實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。隨著量子傳感市場(chǎng)的成熟，VCSEL 等芯片級(jí)激光二極管將成為實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)量子陀螺儀、加速度計(jì)和下一代原子鐘的關(guān)鍵。

諸如 Trumpf 等老牌公司以及 III-V Epi 和 ICS（集成化合物半導(dǎo)體）等衍生公司現(xiàn)已專門(mén)為量子傳感市場(chǎng)開(kāi)發(fā)了 VCSEL。將主要半導(dǎo)體工廠的能力與激光技術(shù)的創(chuàng)新相結(jié)合將成為實(shí)現(xiàn)量子傳感器商業(yè)化的關(guān)鍵。

雞和蛋的問(wèn)題

量子傳感器以及更廣泛的量子技術(shù)的專用組件面臨著一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的問(wèn)題：高昂的生產(chǎn)成本限制了最終產(chǎn)品的目標(biāo)市場(chǎng)，這反過(guò)來(lái)又限制了生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大以降低成本。

最近從研究中衍生出來(lái)的量子技術(shù)通常依賴于小批量制造專用組件，這些組件要么在內(nèi)部完成，要么在當(dāng)?shù)匮芯繖C(jī)構(gòu)完成。由于控制高度敏感的量子系統(tǒng)需要達(dá)到一定的精度，因此使用更便宜的現(xiàn)有組件通常不是一種選擇。

晶圓級(jí)蒸汽電池制造的最大障礙是實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)所需的規(guī)模。目前，這種復(fù)雜、多階段工藝的小批量制造成本很高，而且蒸汽電池除了量子傳感之外，還有相對(duì)小眾的應(yīng)用。

為了解決這一問(wèn)題，業(yè)界正在發(fā)起一些舉措，將產(chǎn)學(xué)研結(jié)合起來(lái)，支持新興量子技術(shù)的半導(dǎo)體制造發(fā)展。將生產(chǎn)設(shè)施集中到“量子代工廠”是一種更有效的解決方案，而促進(jìn)量子行業(yè)內(nèi)部的對(duì)話可以減少在內(nèi)部開(kāi)發(fā)組件上花費(fèi)的資源，從而更快地實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展生產(chǎn)。

市場(chǎng)前景和未來(lái)

通過(guò)蒸汽室和垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL) 制造方面的創(chuàng)新，原子鐘的芯片級(jí)微型化已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。例如，Microchip 自 2011 年以來(lái)使用這些組件實(shí)現(xiàn)了芯片級(jí)微波（銫和銣）原子鐘的商業(yè)化，為其他量子傳感器向量產(chǎn)過(guò)渡提供了藍(lán)圖。

展望未來(lái)，半導(dǎo)體代工廠有機(jī)會(huì)成為量子傳感器價(jià)值鏈中的關(guān)鍵參與者。現(xiàn)在投資降低量子傳感器的制造成本，可以在不久的將來(lái)打開(kāi)更大的可進(jìn)入市場(chǎng)。這些潛在市場(chǎng)源于對(duì)更好的傳感解決方案的實(shí)際需求，包括計(jì)時(shí)、磁場(chǎng)（遠(yuǎn)程電流）傳感和慣性傳感，這些都可以通過(guò)量子傳感器實(shí)現(xiàn)。

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