光電生物傳感器是光學、微電子學、電化學、分子生物學等多學科交叉結合的產物，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，電子科技大學徐開凱團隊聯合南非大學團隊，利用PN結級聯硅器件發(fā)光特性的可調節(jié)性，結合光電集成技術，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，依托電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，徐開凱團隊在半導體光電器件、集成工藝、封裝測試等方面開展了系統研究，取得了一系列創(chuàng)新性成果。
也正是因為在光學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”材料制備光學生物傳感器便成為了應有之義。
徐開凱介紹，片上“全硅”光學生物傳感器由光源、光波導、探測器等組成，其中光波導與探測器已經實現了單片集成，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用的關鍵技術瓶頸，仍需要大力研發(fā)，而這也成為業(yè)內研究者的共識。
近年來，雖然硅基發(fā)光器件領域大量新理論、新結構和新方法相繼被提出并實現，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。針對這一科學難題，徐開凱率領團隊從多學科交叉中創(chuàng)新發(fā)展關鍵技術，開展了引領性的工作。團隊提出的“引入外加電場控制端”設計器件結構的新策略，獲得了基于金屬氧化物半導體（MOS）結構的類“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量級的內量子效率（IQE），徐開凱團隊2015年實現的結果與他們2017年實現的結果是高度一致的。
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會電子器件快報》上的論文中報道，他們實現了一種基于PN結二極管雪崩的電光調制器，這種器件與標準的互補金屬氧化物半導體（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、電光特性、集成技術等方面做了大量工作，部分技術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科研團隊聞到了。
南非大學的Lukas W. Snyman團隊在硅基光波導方面具有雄厚的技術基礎，其中CMOS微光子系統更是南非的專有技術，該技術當下既無法實現技術引進，更不可能實現技術輸出。但是，想要通過該技術進一步實現微型光學生物傳感研究，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生物傳感關鍵技術突破，中非雙方一拍即合，當下決定開展合作研究。其中，電子科技大學團隊負責提供高發(fā)光強度硅光源設計與制備技術、硅光源發(fā)光調制技術，南非大學團隊提供生物監(jiān)測波導設計技術，雙方聯合承擔硅光源與波導耦合設計技術。此外，中國電科第四十四所負責設計并實現具備高靈敏度的探測器，協助突破高靈敏探測器設計技術；中國電科第二十四所負責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，中非聯合團隊迅速將PN結級聯、載流子注入的硅器件發(fā)光現象應用于光電生物傳感器。這種PN結級聯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濟的方式和現有的SOC系統、微光機電系統實現單片集成。雙方利用PN結級聯硅器件發(fā)光特性的可調節(jié)性，結合光電集成技術，最終實現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半導體工藝大規(guī)模低成本制作的，使用快速便捷，可實現實時監(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與現有傳感器相當。”徐開凱告訴《科學新聞》。
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協助。此外，在此項成果基礎上，我國還可根據需要與發(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“片上微型光學生物傳感器”已經獲批立項。下一階段，徐開凱將帶領團隊朝著“全硅”光電集成電路、智能感知電子裝備研究發(fā)起沖擊。■
《科學新聞》 (科學新聞2020年2月刊 教育)