他光源

p style="text-indent: 2em text-align: justify "近日，国际半导体产业杂志Semiconductor Today 报道了中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张子旸课题组与中国科学院半导体研究所刘峰奇、王占国实验室合作研制中红外宽谱光源阵列的最新成果。该成果发表在Optics Letters上。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "中红外宽谱光源基于半导体量子级联材料，光源的有源层由30个重复的级联周期组成，各周期之间通过低掺杂的n型InGaAs分隔开。研究人员所设计的有源区能带结构如图1所示，它采用了双声子共振结构，一个周期的有源区包含四个耦合的应变补偿In0.678Ga0.322As/In0.365Al0.635As量子阱。这种结构通过两次光学声子辅助弛豫来实现更高效的低能级载流子抽运，从而增大粒子数反转，提高自发辐射效率。使用这种材料结构的宽谱光源具有阈值电流密度更低、输出功率更高等优势。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "为了获得抑制激射实现超辐射发光所需要的低反射率（小于10-6），中红外宽谱光源器件尺寸一般比较大，因此很难制备成集成的器件阵列结构。研究人员所设计的宽谱光源器件波导结构如图2所示，这是一种双沟道脊型分段波导器件结构，由直条端、倾斜条形区、J型波导三部分组成。这种波导结构通过两次反射率的突变，利用比较小的器件尺寸就满足了低反射率的要求。基于这一结构，研究人员制备了一系列宽谱光源阵列，得到了室温连续输出功率2.4mW，谱宽199cm-1，远场发散角20° 。中红外光源在大气通信、空间遥感、化学检测、医疗诊断等领域有着重要应用。该工作得到国家重点研发计划和自然科学基金的资助支持。/pp style="text-align:center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/360d2fb2-5a36-4f02-8777-818e5c049a43.jpg" title="1.png" alt="1.png"//pp style="text-indent: 2em text-align: center "图1：基于四阱耦合双声子共振的量子级联能带结构 /pp style="text-indent: 2em text-align: left " /pp style="text-align:center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/cd213e91-46f1-4f16-8a43-f6aaf101ee36.jpg" title="2.png" alt="2.png"//pp style="text-indent: 2em text-align: left "图2：中红外量子级联宽谱光源器件阵列示意图。左上：显微图像。右上：SEM图像。 /p

1月19日，上海光源国家重大科学工程国家验收会在上海召开。验收会召开前，上海光源工程总指挥、中国科学院副院长江绵恒欣喜地接受了记者专访。　　他指出：“上海光源以远少于世界同类装置的投资，以世界上同类装置的最快建造速度，实现了优异的性能，进入国际上性能指标领先的第三代同步辐射光源的行列，成为国际上最先进的同步辐射装置之一。”　　同时，他强调，上海光源高质量的建成，是依靠我国自己培养的中青年科学家，充分发挥我国制度优势、坚强有力的领导和紧密有效的院地合作和积极争取国际交流合作的典范，“上海光源工程的建成是一种民族自强的体现，她显示了我国在高新技术领域占有一席之地的决心和意志”。　　《科学时报》：上海光源能做什么?上海光源的科学地位和作用是什么?　　江绵恒：上海光源是一个多学科开放共享的实验平台，它提供性能非常优异的光——从红外线到高能X射线(硬X射线)宽广波段、光谱连续的光，为全国乃至全世界诸多学科的前沿基础研究和高新技术开发应用，提供了一个最先进又不可替代的工具。　　比如医学成像，上海光源的成像线站的静态分辨率已经达到0.8微米——比千分之一毫米还小，远远优于传统X光成像(毫米级)。　　又比如材料研究，上海光源X射线吸收精细结构谱(XAFS)线站已经开展了对催化剂反应过程的原位动态研究，小角散射线站进行了离线的碳纤维原丝纺丝成形过程、蚕丝形成过程的材料结构研究，下一步要争取做到原位研究。　　《科学时报》：建设上海光源在我国科学技术发展战略上的意义何在?　　江绵恒：中国科学院曾经作过一项研究，人均GDP少于300美元的经济体，其技术创新一般处于以使用技术为主的阶段 300～4750美元时，一般处于以改进技术为主的阶段 人均GDP到4750美元以上时，就要依靠自己创造技术了。我国现在人均GDP已经超过3000美元，我们要跨越式发展，就必须加强自主创新。而上海光源就为自主创新所需要的前沿探索和技术突破提供了高效手段。　　概括来说，上海光源的意义有三个主要方面：第一，上海光源将为我国的多学科前沿研究和高新技术开发应用提供先进的实验平台，将为提升我国的综合科技实力作出不可替代的重要贡献。利用上海光源的同步辐射实验技术开展实验研究，所涉及的学科之众多，应用的领域之广泛，是其他大科学装置无法比拟的。　　第二，上海光源将为不同学科间的相互渗透和交叉融合创造优良条件，为组建综合性国家大型科研基地奠定基础。上海光源首批建设的光束线和实验站居国际先进水平，可同时容纳近百名来自不同学科和高技术领域的科学家、工程师开展科学实验。将来线站建满后，同时容纳的研究人员可达上千名 同时围绕上海光源将建设蛋白质研究中心——国家已立项开始建设，材料研究中心、纳米研究中心等。如此之多的研究人员聚集在这里，使上海光源自然而然成为综合性的大型前沿研究中心，为萌发新思想、创造新方法和开辟新学科提供极为有利的环境条件。　　第三，上海光源将直接带动我国相关工业的发展。除了为相关高技术产业发展提供研发手段之外，上海光源本身属集成创新，它的建设涉及加速器、光束线站及建安方面的众多关键技术难题，上海光源的建设也直接带动我国现代高性能加速器、先进电工技术、超高真空技术、高精密机械加工、X射线光学、快电子学、超大系统自动控制技术以及高稳定建筑等先进技术和工业的发展。大科学工程的实践证明，这种带动作用的间接效应所带来的社会和经济效益是非常大的。　　《科学时报》：上海光源是以自主研制为主吗?它的成功研制对我国高技术制造业发展有什么样的推动作用?　　江绵恒：由这个领域的院士专家进行的工艺鉴定认为，上海光源实现了高水平的集成创新，自主研制的设备超过70%。实际上，上海光源从建筑、装置到设备，它的设计完全是我们自己的科技队伍做出的，它的安装也是我们自己的技术工人队伍完成的，达到了非常高的工艺水平，令国际同行叹服。比如180米的增强器，用于修正电子束流轨道的40块校正磁铁，1块也没用就调通了，说明我们的设计、加工、安装几乎没有偏差，在世界加速器界可能是“空前”的。　　上海光源工程的参建、参研单位主要的就有上百家。上海光源国际先进的定位，对这些单位提出了近乎苛刻的要求，需要他们“跳一下”才有可能达到。而就是在这个“跳一下”的过程中，在工程科研团队的指导与合作下，相关单位和企业的技术能力都获得了提升、飞跃。　　《科学时报》：院市合作在上海光源建设中发挥了关键作用，您如何评价与上海市共建上海光源这一机制创新?　　江绵恒：上海光源是院市合作的典范。这种合作创新机制为地方聚焦国家战略、服务国家战略创造了成功范例。　　需要强调的是，上海市对上海光源这一大科学工程具有前瞻性的战略眼光。在1998年上海光源预研研究时，总经费8000万元中，上海市就投入了6000万元，中国科学院则组织北京高能所、合肥光源的专家骨干，与上海应用物理所的科研人员组成预研工程队伍，为上海光源的研制奠定了坚实的基础。工程立项开工，上海市无偿划拨了张江的300亩地，并且将上海光源工程纳入上海市重大工程和首批科教兴市重大项目予以保障，极大地保障了工程的顺利实施。在争取和完成这一国家任务的过程中，院市双方通力协作，发挥各自的优势，开创了我国大科学工程建设的新模式。　　《科学时报》：上海光源工程的人才队伍是如何培养和建设的?是什么样的激励机制使上海光源工程建设队伍能在这样短的时间内高质量建成上海光源?　　江绵恒：我为有一支凝结着严谨高效、勇攀高峰的创新精神，实事求是、精益求精的科学精神，团结协作、顽强拼搏的奉献精神的上海光源工程队伍而深感自豪，正是这种“上海光源精神”激励着他们拼搏攻关。　　我们的前工程办主任汤杰，在2009年2月，距成功只有2个月的时候，因积劳成疾，高血压突发脑溢血去世了，年仅43岁。他是一个很机灵的上海小伙子，能力很大。挣钱的机会很多，但他为了热爱的上海光源事业，十几年如一日，全心投入工程，在工地、现场几乎总能看到他，是公认的上海光源的“大管家”。为什么?这是精神的力量。　　上海光源工程队伍，开工时主要骨干的平均年龄约37岁，在加速器界显得很年轻，缺乏工程经验，而且队伍规模也很不足。怎么办?经验不足，我们就加强培养和岗位锻炼，提倡“干中学”，请来国内外特定领域的专家交流指导，组织专业知识培训、参加夏季加速器学校学习，提高能力 送到国外在建光源短期学习实践，在调试时实行跨分总体、跨线站的排班制度，积累经验。规模不足，我们根据需要引进关键岗位适用人才——上海光源本着务实原则引进人才，骨干队伍中直接从海外引进的约8%，主体主要是通过国内科研实践的锻炼自主培养。经过工程建设的锤炼，我们培养造就了一支高水平能战斗的年轻的大科学工程队伍。　　《科学时报》：上海光源下一步如何发展，有什么计划和设想?　　江绵恒：首先是高质量地运行好上海光源，使首批7条线站充分发挥作用，产出高水平的用户实验成果。工程验收后，就要转入运行开放，要成立上海光源的运行组织体系——国家科学中心。　　其次要尽快把后续线站建起来。现在国家批准的蛋白质研究设施工程已开工建设，将在上海光源上建设5条光束线和6个实验站。我们有一个规划，希望在“十二五”期间能够启动上海光源二期工程，建设25条左右的光束线站，基本达到实验方法和应用领域的学科覆盖。然后在下一个五年计划期间，进行三期工程的建设，再新建或升级改造20条左右的线站，满足最新的学科发展和用户需求，将上海光源效率发挥得比较充分。　　同时，要进行更先进光源的前瞻部署。现在自由电子激光光源已在国际上加速发展起来，美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)的X射线自由电子激光已经出光，德国、日本、韩国等也已起步。我们已经向国家建议，在这个园区内、上海光源的北面，建设一台软X射线自由电子激光试验装置，开展短波长自由电子激光装置的预先研究 希望在这之后，再向国家申请建设硬X射线的用户装置，把我们与先进国家在光子科学领域的发展差距缩短到10～15年左右。　　中国作为一个发展中大国，科技投入不光是在国际最高水平上的追求，同时也要最大程度地惠及广大科技工作者。在2020年后的又一个五年计划期间，有望进行三期工程建设，再新建或升级改造20条左右的线站，满足最新的学科发展和用户需求。可以预见，届时国内外上千名不同学科领域的科学家和工程师，将同时在此昼夜不息地开展实验和研究，容纳量将10倍于目前水平。

当前，芯片问题广受关注，而半导体工业皇冠上的明珠——以极紫外（EUV）光刻机为代表的高端光刻机，则是我国集成电路（IC）产业高质量发展必须迈过的“如铁雄关”。如何在短期内加快自主生产高端光刻机的步伐，打破国外的技术封锁和市场垄断？笔者认为，应找准关键技术，攻克核心设备，跻身上游产业。认清光刻关键技术对于光刻机，凭什么美国可以左右荷兰阿斯麦公司（ASML）EUV光刻机的出海国家？ASML又为什么“愿意”听从美国的“摆布”？一方面，美国在ASML早期研发阶段给予大力扶持，帮助其获取最新的研究成果；作为继续扶持ASML的条件之一，ASML供应链里至少要有55%的美国供应商。另一方面，在美方协助下，ASML得以顺利收购几大可能阻碍其技术升级的关键供应商，例如通过收购全球准分子激光器龙头企业美国Cymer公司，控制了EUV产业链上除镜片组外最重要一环——13.5纳米极紫外光光源。鉴于此，美国通过下注ASML及推动其在上游产业建立技术壁垒，完成了对光刻机产业链的控制。从技术层面看，Cymer公司采用的是激光等离子（LPP）技术路线，这一技术离不开泵浦激光器。泵浦激光器是德国TRUMPF公司专门量身定制的正方形折叠腔轴快流二氧化碳（CO2）激光器，它的原理是由高功率密度、高重频、波长10.6微米的激光束照射锡液滴（液相锡靶），光/热复合致锡原子电离，锡等离子体直接辐射波长13.5纳米、功率约250瓦的极紫外光。这是国际公认的最具工程实现价值的技术路线，其他如同步辐射、自由电子激光等方法距离规模化应用还差很远。攻克EUV光源核心设备笔者认为，如果我国能提供财力、人力、物力，精准定位并攻克LPP关键技术，还是有望打破高端光刻产业技术瓶颈的。EUV光刻机是一套极其复杂的光机电系统，主要核心设备是EUV光源、光学镜组、高速超精密运动双工件台，其中EUV光源是光刻机最核心设备，而高端CO2激光器又是EUV光源更基础的核心设备，是“光源中的光源”。因此，我们应首先攻克高端CO2激光器，研制比轴快流更先进的大功率板条波导（SLAB）CO2激光器，即万瓦级的SLAB CO2激光器件，打造具有国际竞争力的高精尖端气体激光器产品，在EUV光源供应链中对标德国TRUMF公司。第二步，攻克EUV光源。目前，Cymer公司采用液相锡靶的LPP方案研制的EUV光源仅能输出约250瓦极紫外光，使ASML的EUV光刻机每天只能处理约200片晶圆，生产速度和效益较低，不能满足IC制造商有关日处理300~500片及以上晶圆的急迫要求。要想实现此目标，EUV光源需要提高30%以上输出功率，而液相锡靶LPP技术很难再提高。如果用更先进的CO2激光器结合全新概念的气相锡靶技术方案，研制更大功率EUV光源，将使我们快速跻身核心零部件提供商行列。如能攻克这两个核心设备，成为独立掌握极紫外光源制造技术的国家，将大幅提升我国在高端光刻机国际市场的话语权。关键成果及技术难点CO2激光器作为EUV光刻机的核心部件，引发全球对气体激光技术的重新认知。这充分说明气体激光器是一类非常重要的激光器件。CO2激光器已发展4代，而今标志性的SLAB气体激光技术是国际能量光器件制造商们追逐的技术高地。德国Rofin公司是全球第一家拥有SLAB专利技术体系、能够生产千瓦级以上SLAB激光器件的企业。美国Coherent公司2016年出资9.34亿美元收购了Rofin，获得梦寐以求的SLAB技术。目前，我国是国际上第二家独立拥有SLAB专利技术体系、能够生产千瓦级以上SLAB激光器件的国家，并创新性研发了“板条放电预电离横向激励大气压激光器”，为打造具有国际竞争力的尖端气体激光器产品、跻身高端光刻机全球产业链奠定了知识产权和产业化基础。凭借相关技术储备，我国有机会在较短时间内攻克万瓦级SLAB CO2激光器核心设备。不过，研制EUV光源会面临三大技术难关：一是精密流量控制的气相锡靶；二是激光束照射方式；三是极紫外光收集镜制造和镀膜。