电读出非标记型光电子集成生物传感器

Biosensing technology plays an increasingly important role in human life. In recent years, biosensors have been widely applied in many fields, such as medical diagnostics, drug development and research on food and environmental monitoring, and military science. Especially, integrated label-free nano-optical biosensors have become research hotspot due to the wide range of detected objects, and the ability to avoid the adverse effects of label. However, optoelectrical integrated label-free biosensors commonly used tunable lasers and high-resolution spectrometer, while the drawbacks of bulkiness and expensiveness greatly limit their applications. Based on SOI (silicon-on-insulator) material, this project is proposed to integrate tunable filters, biosensors, and photo-detector on a chip by mature CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) technology together with an external low-cost wide-spectrum light source (LED (light-emitting diode), ASE (Amplified Spontaneous Emission) or ultra-light emitting diode), and the electrical data is read directly by the photo-detector, thus the integrated low-cost label-free biosensors could be realized. And we also explore 3D optoelectronic integration technology and application of photonic biosensors by using the SiN instead of SOI. This project is an application of system-on-chip in integrated optical biosensor, and provides a new way for the development of photonic biosensors in the future.

生物传感技术在人类生活中扮演着越来越重要的角色。近年来，生物传感器在医学诊断、药品的开发与研制、食品与环境监测以及军事科学等诸多领域得到了广泛的应用。可集成的非标记型纳米光学生物传感器由于具有检测对象范围广，且避免了标记带来的不利影响等优点而成为了研究的热点。但目前非标记型光学生物传感器普遍采用可调谐激光器和高精度光谱仪作为测量手段，体积大，价格昂贵的缺点极大地限制了它的应用。本项目是针对这一点，提出以SOI材料为基础，应用成熟的CMOS工艺技术将可调谐滤波器、生物传感器和光电探测器集成在一个芯片上，外部采用较廉价的宽谱光源（LED、ASE或超发光二极管），由光电探测器直接读出电数据，实现集成化、低成本的非标记型生物传感器。同时探索SiN代替SOI的3D光电子集成技术。这是system-on-chip思想在集成光学生物传感器上的具体应用，为未来光子生物传感器的发展提供了一个新思路，新方法。

光子生物传感器技术广泛地用于临床治疗、食品检测、环境监测等等，它具有成本低，探测灵敏度高，信号稳定性好，数据分析简单易行等优点，现已成为近几年研究的主要对象。本项目针对目前光子生物传感器功能单一、成本高的问题，提出在芯片上集成光电子功能器件以取代外部设备的构想，以高密度集成芯片实现小体积、低成本、低能耗的无标记光子生物传感器。.在本项目里，我们主要做了以下五个方面的研究：1）锗/硅光电探测器的集成，我们实现了在SOI上选择外延生长Ge材料，其光电转换效率可以达到~0.75A/W。2）硅基光学滤波器的设计与集成，理论上我们拓展了光学滤波器的设计方法，采用硅基光子线实现高品质因子的光学滤波器，并且具有低能耗的优点。3）体硅材料下的三维光电探测器的集成，我们与韩国三星同时提出在Si晶片上制作三维集成光电子器件的方法，我们的方案较三星公司的方案简单易行。并成功制作了体硅材料的三维光电探测器，取得不错的效果。4）SiN基滤波器、三维光电探测器、微环传感器的集成，我们将工艺上研究SiN基微环热光可调谐微环滤波器、微环传感器、三维锗硅光电探测器的集成技术，并最终制作了三维光子生物传感器，并制作出了手持是样机。5）具有记忆功能的光子集成回路，为了未来向智能化方向发展，我们进一步研究了可读写的具有记忆功能的光子集成回路，为下一步智能化生物光学传感器打基础。.经过3年的学术研究和技术攻关，我们成功制作出了手持式无标记光子生物传感器，原型样机的尺寸小于iphone手机，其中的芯片可以集成几百个无标记光子生物传感器单元。本项目的研究为光子生物传感器的小型化、智能化做出了有益的探索，学术成果有4篇SCI学术期刊，2篇IEDM，2篇CLEO和1篇新加坡国际会议上发表。该项目是与新加坡微电子研究所合作完成的，在合作中学习到了先进的硅基光电子集成技术，并建立了长期的合作关系。