片上微型傳感器：開(kāi)啟快速檢測(cè)新時(shí)代

  光電生物傳感器是光學(xué)、微電子學(xué)、電化學(xué)、分子生物學(xué)等多學(xué)科交叉結(jié)合的產(chǎn)物，它由光源、光纖、探測(cè)器組成。當(dāng)光穿過(guò)被測(cè)生物后，光譜會(huì)被吸收或減弱，通過(guò)檢測(cè)光譜被吸收或減弱的情況，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)生物的檢測(cè)。近年來(lái)，光電生物傳感器的發(fā)展十分迅速，其已成為新藥開(kāi)發(fā)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和食品安全檢測(cè)的重要手段。

  然而，在社會(huì)快速發(fā)展的當(dāng)下，為滿足人們對(duì)美好生活的向往，就必須對(duì)城市污染、食品安全、醫(yī)療健康等進(jìn)行實(shí)時(shí)、實(shí)地的快速檢測(cè)。于是，取樣量小、便于攜帶、檢測(cè)快捷的“片上微型光學(xué)生物傳感器”成為研究熱點(diǎn)，其一旦開(kāi)發(fā)成功，即可取得廣泛應(yīng)用，對(duì)人們生活水平的提升有重要推動(dòng)作用。

  日前，電子科技大學(xué)徐開(kāi)凱團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南非大學(xué)團(tuán)隊(duì)，利用PN結(jié)級(jí)聯(lián)硅器件發(fā)光特性的可調(diào)節(jié)性，結(jié)合光電集成技術(shù)，研發(fā)出一種操作簡(jiǎn)單便捷、無(wú)污染、靈敏度高、選擇性好的光電集成生物傳感器。

 

聚焦“全硅”

 

  長(zhǎng)期以來(lái)，依托電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，徐開(kāi)凱團(tuán)隊(duì)在半導(dǎo)體光電器件、集成工藝、封裝測(cè)試等方面開(kāi)展了系統(tǒng)研究，取得了一系列創(chuàng)新性成果。

  也正是因?yàn)樵诠鈱W(xué)生物傳感器研究這條道路上走的足夠久，徐開(kāi)凱逐漸意識(shí)到硅這種具有無(wú)限可能的材料在光學(xué)生物傳感器上大有可為，于是開(kāi)始嘗試開(kāi)發(fā)一種“全硅”的光學(xué)生物傳感器。

  “‘全硅’，是指?jìng)鞲衅髅總�(gè)部分都采用硅基材料制作。二氧化硅、多晶硅等材料在自然界中的蘊(yùn)藏量很豐富，這使得材料成本低廉，便于傳感器的推廣。”徐開(kāi)凱介紹。

  相比之下，雖然非“全硅”傳感器中也有部分傳感器能達(dá)到“全硅”傳感器的效果，但是它們的核心制備幾乎完全依靠III~V族材料，性價(jià)比偏低。因此，采用“全硅”材料制備光學(xué)生物傳感器便成為了應(yīng)有之義。

  徐開(kāi)凱介紹，片上“全硅”光學(xué)生物傳感器由光源、光波導(dǎo)、探測(cè)器等組成，其中光波導(dǎo)與探測(cè)器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單片集成，但化合物光源仍難以做到單片集成——雖然硅光源易于集成，但發(fā)光效率低。因此，高效、高速的硅芯片級(jí)發(fā)光器件成為阻礙傳感器真正走向應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，仍需要大力研發(fā)，而這也成為業(yè)內(nèi)研究者的共識(shí)。

  近年來(lái)，雖然硅基發(fā)光器件領(lǐng)域大量新理論、新結(jié)構(gòu)和新方法相繼被提出并實(shí)現(xiàn)，也取得了一系列研究成果，但均未能從根本上解決硅光源發(fā)光效率低的問(wèn)題。

  沒(méi)有前路可走，只能奮力開(kāi)拓。針對(duì)這一科學(xué)難題，徐開(kāi)凱率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從多學(xué)科交叉中創(chuàng)新發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)展了引領(lǐng)性的工作。團(tuán)隊(duì)提出的“引入外加電場(chǎng)控制端”設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)的新策略，獲得了基于金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）結(jié)構(gòu)的類“MOS柵控”硅發(fā)光器件，發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到200nW/μm2，為當(dāng)時(shí)國(guó)際報(bào)道的最好水平之一。

  對(duì)此，來(lái)自荷蘭的研究小組在其發(fā)表的研究文章中指出，徐開(kāi)凱團(tuán)隊(duì)的硅發(fā)光器件具有10-8量級(jí)的外量子效率（EQE）與10-6量級(jí)的內(nèi)量子效率（IQE），徐開(kāi)凱團(tuán)隊(duì)2015年實(shí)現(xiàn)的結(jié)果與他們2017年實(shí)現(xiàn)的結(jié)果是高度一致的。

  在此之后，來(lái)自美國(guó)的研究小組在發(fā)表于《電氣和電子工程師協(xié)會(huì)電子器件快報(bào)》上的論文中報(bào)道，他們實(shí)現(xiàn)了一種基于PN結(jié)二極管雪崩的電光調(diào)制器，這種器件與標(biāo)準(zhǔn)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝兼容，并且對(duì)“全硅”光電集成有重要意義。這進(jìn)一步證明徐開(kāi)凱及其團(tuán)隊(duì)的研究思路是正確的。

   

強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手

 

  憑借不斷的堅(jiān)持與開(kāi)拓創(chuàng)新，徐開(kāi)凱團(tuán)隊(duì)在硅光源的器件機(jī)構(gòu)、電光特性、集成技術(shù)等方面做了大量工作，部分技術(shù)更處于國(guó)際先進(jìn)水平。

  正所謂“酒香不怕巷子深”，徐開(kāi)凱團(tuán)隊(duì)研發(fā)的片上集成的硅發(fā)光器件這杯“美酒”所散發(fā)出的醇香，很快就被遠(yuǎn)在非洲大陸的南非大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)聞到了。

  南非大學(xué)的Lukas W. Snyman團(tuán)隊(duì)在硅基光波導(dǎo)方面具有雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，其中CMOS微光子系統(tǒng)更是南非的專有技術(shù)，該技術(shù)當(dāng)下既無(wú)法實(shí)現(xiàn)技術(shù)引進(jìn)，更不可能實(shí)現(xiàn)技術(shù)輸出。但是，想要通過(guò)該技術(shù)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)微型光學(xué)生物傳感研究，卻恰好需要用到徐開(kāi)凱團(tuán)隊(duì)研發(fā)的片上集成的硅發(fā)光器件。

  為了最終取得片上微型光學(xué)生物傳感關(guān)鍵技術(shù)突破，中非雙方一拍即合，當(dāng)下決定開(kāi)展合作研究。其中，電子科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)提供高發(fā)光強(qiáng)度硅光源設(shè)計(jì)與制備技術(shù)、硅光源發(fā)光調(diào)制技術(shù)，南非大學(xué)團(tuán)隊(duì)提供生物監(jiān)測(cè)波導(dǎo)設(shè)計(jì)技術(shù)，雙方聯(lián)合承擔(dān)硅光源與波導(dǎo)耦合設(shè)計(jì)技術(shù)。此外，中國(guó)電科第四十四所負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)具備高靈敏度的探測(cè)器，協(xié)助突破高靈敏探測(cè)器設(shè)計(jì)技術(shù)；中國(guó)電科第二十四所負(fù)責(zé)提供后端信號(hào)處理電路，確保光電生物傳感器驗(yàn)證順利實(shí)施。

  明確分工后，中非聯(lián)合團(tuán)隊(duì)迅速將PN結(jié)級(jí)聯(lián)、載流子注入的硅器件發(fā)光現(xiàn)象應(yīng)用于光電生物傳感器。這種PN結(jié)級(jí)聯(lián)硅器件的制備流程與標(biāo)準(zhǔn)的Bi-CMOS工藝完全兼容，并且硅在微電子領(lǐng)域的大范圍使用，也使得這種載流子注入型硅發(fā)光器件能夠以一種更經(jīng)濟(jì)的方式和現(xiàn)有的SOC系統(tǒng)、微光機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單片集成。雙方利用PN結(jié)級(jí)聯(lián)硅器件發(fā)光特性的可調(diào)節(jié)性，結(jié)合光電集成技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了一種操作簡(jiǎn)單便捷、無(wú)污染、靈敏度高、選擇性好的光電集成生物傳感器。

  “我們合作研發(fā)的傳感器是基于傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝大規(guī)模低成本制作的，使用快速便捷，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，處理電路與傳感芯片集成為一體，其他傳感器性能參數(shù)與現(xiàn)有傳感器相當(dāng)。”徐開(kāi)凱告訴《科學(xué)新聞》。

  在全球快速發(fā)展的當(dāng)下，這種便于攜帶、檢測(cè)快捷的“全硅”單片集成微型光學(xué)生物傳感器有望對(duì)城市污染、食品安全、醫(yī)療健康等開(kāi)展實(shí)時(shí)、實(shí)地的快速檢測(cè)，為滿足人們對(duì)美好生活的向往提供技術(shù)協(xié)助。此外，在此項(xiàng)成果基礎(chǔ)上，我國(guó)還可根據(jù)需要與發(fā)達(dá)國(guó)家建立更加廣泛而深入的國(guó)際科技合作伙伴關(guān)系，促進(jìn)世界就業(yè)保障體系的完善及創(chuàng)造必要的就業(yè)機(jī)會(huì)。

  值得一提的是，徐開(kāi)凱團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)電子科技集團(tuán)下屬企業(yè)重慶中科渝芯電子有限公司、重慶吉芯科技有限公司，與南非方面共同申報(bào)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃政府間國(guó)際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)“片上微型光學(xué)生物傳感器”已經(jīng)獲批立項(xiàng)。下一階段，徐開(kāi)凱將帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)朝著“全硅”光電集成電路、智能感知電子裝備研究發(fā)起沖擊�！�