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、探測器組成。當光穿過被測生物后，光譜會被吸收或減弱，通過檢測光譜被吸收或減弱的情況，就能實現(xiàn)對生物的檢測。近年來，光電生物傳感器的發(fā)展十分迅速，其已成為新藥開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測和食品安全檢測的重要手段。
然而，在社會快速發(fā)展的當下，為滿足人們對美好生活的向往，就必須對城市污染、食品安全、醫(yī)療健康等進行實時、實地的快速檢測。于是，取樣量小、便于攜帶、檢測快捷的“片上微型光學(xué)生物傳感器”成為研究熱點，其一旦開發(fā)成功，即可取得廣泛應(yīng)用，對人們生活水平的提升有重要推動作用。
日前，電子科技大學(xué)徐開凱團隊聯(lián)合南非大學(xué)團隊，利用PN結(jié)級聯(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)出一種操作簡單便捷、無污染、靈敏度高、選擇性好的光電集成生物傳感器。
聚焦“全硅”
長期以來，依托電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，徐開凱團隊在半導(dǎo)體光電器件、集成工藝、封裝測試等方面開展了系統(tǒng)研究，取得了一系列創(chuàng)新性成果。
也正是因為在光學(xué)生物傳感器研究這條道路上走的足夠久，徐開凱逐漸意識到硅這種具有無限可能的材料在光學(xué)生物傳感器上大有可為，于是開始嘗試開發(fā)一種“全硅”的光學(xué)生物傳感器。
“‘全硅’，是指傳感器每個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藏量很豐富，這使得材料成本低廉，便于傳感器的推廣。”徐開凱介紹。
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。
徐開凱介紹，片上“全硅”光學(xué)生物傳感器由光源、光波導(dǎo)、探測器等組成，其中光波導(dǎo)與探測器已經(jīng)實現(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。
近年來，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)光效率低的問題。
沒有前路可走，只能奮力開拓。針對這一科學(xué)難題，徐開凱率領(lǐng)團隊從多學(xué)科交叉中創(chuàng)新發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)，開展了引領(lǐng)性的工作。團隊提出的“引入外加電場控制端”設(shè)計器件結(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)光強度達到200nW/μm2，為當時國際報道的最好水平之一。
對此，來自荷蘭的研究小組在其發(fā)表的研究文章中指出，徐開凱團隊的硅發(fā)光器件具有10-8量級的外量子效率（EQE）與10-6量級的內(nèi)量子效率（IQE），徐開凱團隊2015年實現(xiàn)的結(jié)果與他們2017年實現(xiàn)的結(jié)果是高度一致的。
在此之后，來自美國的研究小組在發(fā)表于《電氣和電子工程師協(xié)會電子器件快報》上的論文中報道，他們實現(xiàn)了一種基于PN結(jié)二極管雪崩的電光調(diào)制器，這種器件與標準的互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝兼容，并且對“全硅”光電集成有重要意義。這進一步證明徐開凱及其團隊的研究思路是正確的。
強強聯(lián)手
憑借不斷的堅持與開拓創(chuàng)新，徐開凱團隊在硅光源的器件機構(gòu)、電光特性、集成技術(shù)等方面做了大量工作，部分技術(shù)更處于國際先進水平。
正所謂“酒香不怕巷子深”，徐開凱團隊研發(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，很快就被遠在非洲大陸的南非大學(xué)科研團隊聞到了。
南非大學(xué)的Lukas W. Snyman團隊在硅基光波導(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)當下既無法實現(xiàn)技術(shù)引進，更不可能實現(xiàn)技術(shù)輸出。但是，想要通過該技術(shù)進一步實現(xiàn)微型光學(xué)生物傳感研究，卻恰好需要用到徐開凱團隊研發(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，當下決定開展合作研究。其中，電子科技大學(xué)團隊負責(zé)提供高發(fā)光強度硅光源設(shè)計與制備技術(shù)、硅光源發(fā)光調(diào)制技術(shù)，南非大學(xué)團隊提供生物監(jiān)測波導(dǎo)設(shè)計技術(shù)，雙方聯(lián)合承擔(dān)硅光源與波導(dǎo)耦合設(shè)計技術(shù)。此外，中國電科第四十四所負責(zé)設(shè)計并實現(xiàn)具備高靈敏度的探測器，協(xié)助突破高靈敏探測器設(shè)計技術(shù)；中國電科第二十四所負責(zé)提供后端信號處理電路，確保光電生物傳感器驗證順利實施。
明確分工后，中非聯(lián)合團隊迅速將PN結(jié)級聯(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)級聯(lián)硅器件的制備流程與標準的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)濟的方式和現(xiàn)有的SOC系統(tǒng)、微光機電系統(tǒng)實現(xiàn)單片集成。雙方利用PN結(jié)級聯(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)，最終實現(xiàn)了一種操作簡單便捷、無污染、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，可實現(xiàn)實時監(jiān)測，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。”徐開凱告訴《科學(xué)新聞》。
在全球快速發(fā)展的當下，這種便于攜帶、檢測快捷的“全硅”單片集成微型光學(xué)生物傳感器有望對城市污染、食品安全、醫(yī)療健康等開展實時、實地的快速檢測，為滿足人們對美好生活的向往提供技術(shù)協(xié)助。此外，在此項成果基礎(chǔ)上，我國還可根據(jù)需要與發(fā)達國家建立更加廣泛而深入的國際科技合作伙伴關(guān)系，促進世界就業(yè)保障體系的完善及創(chuàng)造必要的就業(yè)機會。
值得一提的是，徐開凱團隊聯(lián)合中國電子科技集團下屬企業(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的國家重點研發(fā)計劃政府間國際科技創(chuàng)新合作重點專項“片上微型光學(xué)生物傳感器”已經(jīng)獲批立項。下一階段，徐開凱將帶領(lǐng)團隊朝著“全硅”光電集成電路、智能感知電子裝備研究發(fā)起沖擊。■
《科學(xué)新聞》 (科學(xué)新聞2020年2月刊 教育)