來源：半導體行業觀察

編輯：感知芯視界 Link

多個行業有望受益于量子傳感創新。

與傳統傳感器相比，量子傳感器的靈敏度大幅提升，甚至能夠實現全新的傳感功能。預計多個行業將受益于量子傳感創新，包括原子鐘、量子磁力儀、量子陀螺儀等。

然而，將量子傳感器從實驗室原型轉化為商業產品需要優化其尺寸、重量、功率和成本（簡稱 SWaP-C）。正如 IDTechEx 最近的一份報告所探討的那樣，實現這一目標的最成功方法是盡可能多地在高度可擴展的半導體制造工藝中制造傳感器。通過現在更高效地生產量子傳感所必需的組件，那些融入價值鏈的半導體工廠將獲得最大的回報。

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、加速度計和陀螺儀，也包括更先進的芯片級原子鐘和 OPM（光泵磁力計）。蒸汽室的可擴展制造對于這些量子傳感器的大規模生產至關重要。

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

相反，在晶圓級半導體制造工藝中生產蒸汽室已經得到證實，并有可能為量子傳感器批量生產高度規則的蒸汽室。該工藝涉及將每個單元腔蝕刻到玻璃晶片中，然后用原子物種填充該晶片，然后與另一個玻璃表面粘合以實現密封。該領域充滿了創新，包括使用替代玻璃、各種蝕刻和粘合技術以及保護或增強性能的薄膜涂層。

激光技術的進步對于量子傳感器至關重要

量子傳感器中最常用的組件之一是激光器。相干窄帶光對于操縱金剛石中的原子狀態和氮空位中心至關重要。然而，在降低激光器尺寸和成本的同時，保持所需波長的穩定性和功率是一項艱巨的任務。激光技術的創新影響著量子技術以外的行業，包括電信、醫療設備、激光雷達等。

垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 是一種可在晶圓級上大規模制造的半導體激光二極管。與傳統的邊發射半導體激光器不同，VCSEL 會從芯片中直接發射出垂直于其頂面的光束。除了制造和測試方面的優勢外，這還允許將其他組件直接堆疊在 VCSEL 頂部，從而實現芯片級量子傳感器。

盡管 VCSEL 發明于 20 世紀 70 年代末，但隨著 2010 年代末 VCSEL 在智能手機中的應用，以及其在汽車紅外攝像頭和數據中心互連中的廣泛應用，近年來 VCSEL 的需求大幅增長。VCSEL 在其他應用中的普及直接惠及氣體激光雷達等量子成像技術，這些技術也需要緊湊型聚焦 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?？刂葡嚓P原子躍遷所需的波長通常在 700-900nm 范圍內，并且通常需要窄線寬和對環境變化的高穩定性。

盡管如此，微波芯片級原子鐘已經通過使用 VCSEL 和微加工蒸汽室成功實現量產。隨著量子傳感市場的成熟，VCSEL 等芯片級激光二極管將成為實現芯片級量子陀螺儀、加速度計和下一代原子鐘的關鍵。

諸如 Trumpf 等老牌公司以及 III-V Epi 和 ICS（集成化合物半導體）等衍生公司現已專門為量子傳感市場開發了 VCSEL。將主要半導體工廠的能力與激光技術的創新相結合將成為實現量子傳感器商業化的關鍵。

雞和蛋的問題

量子傳感器以及更廣泛的量子技術的專用組件面臨著一個反復出現的問題：高昂的生產成本限制了最終產品的目標市場，這反過來又限制了生產規模的擴大以降低成本。

最近從研究中衍生出來的量子技術通常依賴于小批量制造專用組件，這些組件要么在內部完成，要么在當地研究機構完成。由于控制高度敏感的量子系統需要達到一定的精度，因此使用更便宜的現有組件通常不是一種選擇。

晶圓級蒸汽電池制造的最大障礙是實現量產所需的規模。目前，這種復雜、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，還有相對小眾的應用。

為了解決這一問題，業界正在發起一些舉措，將產學研結合起來，支持新興量子技術的半導體制造發展。將生產設施集中到“量子代工廠”是一種更有效的解決方案，而促進量子行業內部的對話可以減少在內部開發組件上花費的資源，從而更快地實現可擴展生產。

市場前景和未來

通過蒸汽室和垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 制造方面的創新，原子鐘的芯片級微型化已經實現。例如，Microchip 自 2011 年以來使用這些組件實現了芯片級微波（銫和銣）原子鐘的商業化，為其他量子傳感器向量產過渡提供了藍圖。

展望未來，半導體代工廠有機會成為量子傳感器價值鏈中的關鍵參與者。現在投資降低量子傳感器的制造成本，可以在不久的將來打開更大的可進入市場。這些潛在市場源于對更好的傳感解決方案的實際需求，包括計時、磁場（遠程電流）傳感和慣性傳感，這些都可以通過量子傳感器實現。

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