编辑:记者 唐琳 来源: 发布时间:2020-6-8 14:24:39
片上微型传感器:开启快速检测新时代

  光电生物传感器是光学、微电子学、电化学、分子生物学等多学科交叉结合的产物,它由光源、光纤、探测器组成。当光穿过被测生物后,光谱会被吸取或减弱,通过检测光谱被吸取或减弱的情况,就能实现对生物的检测。近年来,光电生物传感器的发展十分迅速,其已成为新药开发、环境监测和食品安全检测的重要手段。

  然而,在社会快速发展的当下,为满足人们对美好生活的向往,就必须对城市污染、食品安全、医疗健康等进行实时、实地的快速检测。于是,取样量小、便于携带、检测快捷的“片上微型光学生物传感器”成为研究热点,其一旦开发成功,即可取得广泛应用,对人们生活水平的提升有重要推动作用。

  日前,电子科技大学徐开凯团队联合南非大学团队,利用PN结级联硅器件发光特性的可调节性,结合光电集成技术,研发出一种操作简单便捷、无污染、灵敏度高、选择性好的光电集成生物传感器。

 

聚焦“全硅”

 

  长期以来,依托电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,徐开凯团队在半导体光电器件、集成工艺、封装测试等方面开展了系统研究,取得了一系列创新性成果。

  也正是因为在光学生物传感器研究这条道路上走的足够久,徐开凯逐渐意识到硅这种具有无限可能的材料在光学生物传感器上大有可为,于是开始尝试开发一种“全硅”的光学生物传感器。

  “‘全硅’,是指传感器每个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蕴藏量很丰富,这使得材料成本低廉,便于传感器的推广。”徐开凯先容。

  相比之下,虽然非“全硅”传感器中也有部分传感器能达到“全硅”传感器的效果,但是它们的核心制备几乎完全依靠III~V族材料,性价比偏低。因此,采用“全硅”材料制备光学生物传感器便成为了应有之义。

  徐开凯先容,片上“全硅”光学生物传感器由光源、光波导、探测器等组成,其中光波导与探测器已经实现了单片集成,但化合物光源仍难以做到单片集成——虽然硅光源易于集成,但发光效率低。因此,高效、高速的硅芯片级发光器件成为阻碍传感器真正走向应用的关键技术瓶颈,仍需要大力研发,而这也成为业内研究者的共识。

  近年来,虽然硅基发光器件领域大量新理论、新结构和新方法相继被提出并实现,也取得了一系列研究成果,但均未能从根本上解决硅光源发光效率低的问题。

  没有前路可走,只能奋力开拓。针对这一科学难题,徐开凯率领团队从多学科交叉中创新发展关键技术,开展了引领性的工作。团队提出的“引入外加电场控制端”设计器件结构的新策略,获得了基于金属氧化物半导体(MOS)结构的类“MOS栅控”硅发光器件,发光强度达到200nW/μm2,为当时国际报道的最好水平之一。

  对此,来自荷兰的研究小组在其发表的研究文章中指出,徐开凯团队的硅发光器件具有10-8量级的外量子效率(EQE)与10-6量级的内量子效率(IQE),徐开凯团队2015年实现的结果与他们2017年实现的结果是高度一致的。

  在此之后,来自美国的研究小组在发表于《电气和电子工程师协会电子器件快报》上的论文中报道,他们实现了一种基于PN结二极管雪崩的电光调制器,这种器件与标准的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容,并且对“全硅”光电集成有重要意义。这进一步证明徐开凯及其团队的研究思路是正确的。

   

强强联手

 

  凭借不断的坚持与开拓创新,徐开凯团队在硅光源的器件机构、电光特性、集成技术等方面做了大量工作,部分技术更处于国际先进水平。

  正所谓“酒香不怕巷子深”,徐开凯团队研发的片上集成的硅发光器件这杯“美酒”所散发出的醇香,很快就被远在非洲大陆的南非大学科研团队闻到了。

  南非大学的Lukas W. Snyman团队在硅基光波导方面具有雄厚的技术基础,其中CMOS微光子系统更是南非的专有技术,该技术当下既无法实现技术引进,更不可能实现技术输出。但是,想要通过该技术进一步实现微型光学生物传感研究,却恰好需要用到徐开凯团队研发的片上集成的硅发光器件。

  为了最终取得片上微型光学生物传感关键技术突破,中非双方一拍即合,当下决定开展合作研究。其中,电子科技大学团队负责提供高发光强度硅光源设计与制备技术、硅光源发光调制技术,南非大学团队提供生物监测波导设计技术,双方联合承担硅光源与波导耦合设计技术。此外,中国电科第四十四所负责设计并实现具备高灵敏度的探测器,协助突破高灵敏探测器设计技术;中国电科第二十四所负责提供后端信号处理电路,确保光电生物传感器验证顺利实施。

  明确分工后,中非联合团队迅速将PN结级联、载流子注入的硅器件发光现象应用于光电生物传感器。这种PN结级联硅器件的制备流程与标准的Bi-CMOS工艺完全兼容,并且硅在微电子领域的大范围使用,也使得这种载流子注入型硅发光器件能够以一种更经济的方式和现有的SOC系统、微光机电系统实现单片集成。双方利用PN结级联硅器件发光特性的可调节性,结合光电集成技术,最终实现了一种操作简单便捷、无污染、灵敏度高、选择性好的光电集成生物传感器。

  “大家合作研发的传感器是基于传统半导体工艺大规模低成本制作的,使用快速便捷,可实现实时监测,处理电路与传感芯片集成为一体,其他传感器性能参数与现有传感器相当。”徐开凯告诉《科学资讯》。

  在全球快速发展的当下,这种便于携带、检测快捷的“全硅”单片集成微型光学生物传感器有望对城市污染、食品安全、医疗健康等开展实时、实地的快速检测,为满足人们对美好生活的向往提供技术协助。此外,在此项成果基础上,我国还可根据需要与发达国家建立更加广泛而深入的国际科技合作伙伴关系,促进世界就业保障体系的完善及创造必要的就业机会。

  值得一提的是,徐开凯团队联合中国电子科技集团下属企业重庆中科渝芯电子有限企业、重庆吉芯科技有限企业,与南非方面共同申报的国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项“片上微型光学生物传感器”已经获批立项。下一阶段,徐开凯将带领团队朝着“全硅”光电集成电路、智能感知电子装备研究发起冲击。■

 
《科学资讯》 (科学资讯2020年2月刊 教育)
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