GaSb基芯片有望实现传感革命
GaSb基芯片有望实现传感革命
以下文章来源于化合物半导体联盟
，作者化合物半导体杂志
紧凑型红外光传感器有助于医疗，农业和竞技运动
KRISTIJONAS VIZBARAS，BROLIS传感科技
一提起红外芯片，您大概会想到InP。这是因为InP及其合金在光谱领域取得了巨大的成功，为长距离光通信提供了数不尽的激光和探测器。
但是InP只能到此为止了。虽然InP是近红外领域的第一选择，但是如果您想在这个方向上走得更远，同时保留带间跃迁，则需要考虑另一类材料。GaSb材料体系是最佳选项，它为光学传感革命铺平了道路。
GaSb及其合金的优点包括：其光谱跨度为1.5μm至4μm，这其中富含与分子旋转-振动跃迁相关的强烈且特殊的基本吸收带组合（请参见表1的比较）。此外，GaSb材料体系可以大批量、可扩展制造在室温下工作的高效光源和探测器，并且它们可与SOI基PICs集成。
表I.比较了不同的红外激光技术，突出了GaSb的优点。[1] R. Wang et al. Sensors 17 1788 (2017) [2] S. Sprengel et al. Semicond. Sci. Technol. 31 113005 (2016) [3] K. Vizbaras et al. Proc. Of SPIE 8277 82771B, (2012) [4] K. Vizbaras et al. Appl. Phys. Lett. 107 011103 (2015) [5] A. Spott et al. IEEE Photonics Conference 2017, October 10, 2017 [6] M. Razeghi et al. Optics Express 23 8462 (2015) [7] M. Vitiello et al. Optics Express 23 5167 (2015)
在1.5μm至2.5μm范围内，有许多光谱学可应用的方向。该波段内是乳酸，乙醇，葡萄糖，尿素和其他重要生物分子的吸收线。由于红外光可以穿透皮肤，因此可以实现非侵入性监测，协助卫生部门，改善运动员的训练，并帮助预防工厂和道路上的酒驾事故。在介绍了GaSb基器件的光谱学之后，将详细介绍以上应用向的细节，以及与农业和塑料回收相关的应用。
评估排放
GaSb材料体系与InP及其相关材料一样，具有多种方法来产生激光发射。最常见的是使用I型量子阱，但是对于更长的波长，可能需要带间级联跃迁。图1列出了这些方法的利弊以及可替代的材料体系。
纵观表格，清楚显示了为什么锑基材料体系更受青睐，以及对受益于低能耗的大批量应用来说，为什么I型技术是最佳选择。其优势包括：成熟的设计，电子和空穴波函数最大重叠而产生的高增益，以及对关键电气，光学和结构参数的直接晶圆级测试，包括电流-电压特性，电致发光和高分辨率X射线衍射光谱，可深入了解应变，成分和层厚。有机会在晶圆被制成器件之前进行仔细检查，在早期控制良率，并可以预选符合要求的晶圆，以便进一步加工。
图1.红外光谱可以通过各物质独特的吸收光谱来鉴别乙醇，甲醇，丙醇和丙酮。浅灰色线显示了叠加的水透射光谱。
与其他形式的I型量子阱激光器一样，调整GaSb基的发射波长需要改变量子阱和势垒层的组成以及阱的厚度。典型GaSb基激光器的量子阱不超过三个，因此外延结构中的大多数都是以体材料形式存在，这种情况简化了外延工艺，使其对生产过程中的偏差不那么敏感。
对于GaAs基大批量产品和InP基红外和电信波长光电器件，最常见的衬底尺寸是3英寸。然而，随着数据通信技术的最新发展，主要是低成本VCSEL的闪亮登场，导致6英寸GaAs衬底的使用增加。
表2.有各种各样的光源技术可以获得电信以外的波长。[1] K. Vizbaras et al. Appl. Phys. Lett. 107 011103 (2015) [2] R. Wang et al. Opt. Express. 24 28977 (2016) [3] R. Wang et al. Sensors 17 1788 2017 [4] S. Sprengel et al. Semicond. Sci. Technol. 31 113005 (2016) [5] K. Vizbaras et al. Proc. Of SPIE 8277 82771B (2012) [6] A. Spott et al. IEEE Photonics Conference 2017, October 10, 2017 [7] M. Razeghi et al. Optics Express 23 8462 (2015) [8] M. Vitiello et al. Optics Express 23 5167 (2015) [9] Cobolt Odin TM, IPG CLTSF lasers (http://www.ipgphotonics.com/en/products/lasers/mid-ir-hybrid-lasers/1-8-3-4-micron/cl-sf-and-clt-sf-0-2-10-w http://www.coboltlasers.com/wp-content/uploads/2014/11/D0348-B_Datasheet-Cobolt-Odin-Series.pdf ).
GaSb激光二极管的生产往往涉及3英寸或4英寸晶圆，但据说6英寸器件级的GaSb晶圆已经可以用于测试。它们通常被装入多晶片MBE腔室，代表性的配置为7 x 3英寸，5 x 3英寸或4 x 4英寸。得益于衬底和生长设备制造商的努力，外延片的产量和质量不断提高。在过去的几年中，诸如Wafer Technology之类的衬底制造商将已经纯熟的GaSb衬底技术扩展到6英寸。美国Veeco公司和法国Riber公司等MBE设备制造商进行了相当大的改进，引入了新的组件设计和腔室几何形状。这些改进可以提高III族的通量均匀性和时间稳定性，这对于非常厚的异质结构的多晶片生长至关重要。
图2. Brolis广泛扫描的GaSb / SOI混合激光器的SOI部分。两个耦合的微环清晰可见。
通过与MBE设备制造商的紧密合作，在过去的八年中，Brolis的团队在多晶圆领域开发出了丰富的专业知识和技术，可用于GaSb基光电器件的大规模生产。我们的第一个重要里程碑出现在2016年，我们向全世界展示了第一台广受好评的GaSb/SOI混合激光器。此后，我们在GaSb I型发光器件与SOI PICs集成方面取得了长足的进步。
我们的最新成功是制造了GaSb基单片激光光谱仪，该光谱仪基于四个超宽扫频混合激光器和光电探测器。该光谱仪的核心是四个单模激光器，每个激光器的侧模抑制比都超过20 dB。这些激光器与两个直径稍有不同的耦合微环谐振器相结合，在SOI电路中实现。通过利用游标效应，我们能够以高达1 kHz的频率对激光器的波长进行电热扫描。每个激光器提供120 nm的调谐范围，通过移动每个GaSb光源的增益峰值，我们实现了超过400 nm的综合调谐范围（见图2）。
如果我们只对一个微环进行热调谐，这将导致整个环的自由光谱范围内的光谱跳变-模式跳变通常为4-5 nm。通过协调两个微环的调谐，我们在整个光谱范围内实现几乎准连续的调谐（见图3和4）。
图3.叠加光谱显示，四种扫频的GaSb / SOI激光器可以覆盖1900 nm至2400 nm的光谱范围。器件表现出连续波激射，输出功率约为1 mW。由于调谐仅涉及单个微环，因此光谱分离由环的自由光谱范围（几纳米）定义。
正如预料的那样，我们的第一个混合传感器看上去有点“笨拙”，一般来说新器件都会是这样（参见图5（a））。但它可以正常工作，因为它成功集成了四个GaSb基光电探测器，一个GaSb基光发射器和一个外部SOI腔。这种光谱传感器的后续小型化正在进行中（见图5（b）5（c）），它包括2至4个GaSb增益芯片，对接耦合至SOI，以及四个GaSb控制检测器倒装在SOI上。这种混合器件的一个通道的实验调谐范围（波长图）如图3所示。从长远来看，该技术的占用面积应仅为2 x 3 x 1 mm，完全兼容目前所有的消费和工业平台。目前内部使用的传感器评估板如图5（c）所示。
图4.当两个微环以特定方式进行电热调谐时，Brolis的单个广泛扫描的激光器的峰值波长。连续的光谱覆盖范围清晰可见。
结合我们当前先进的GaSb / SOI技术，我们使用四个输出功率约为0.25-1 mW的激光器来扫描480 nm的范围。这种非制冷技术的主要优点是响应度为1.5 A / W，探测效率为2-3 x 1010 cm Hz0.5 W-1，噪声等效功率为2 x 10-12 W Hz-0.5 。这些数据证明，我们的技术可为多种应用提供足够的性能，从流体到气体分析的可调谐激光吸收光谱。更重要的是，随着我们不断改进光源、探测器和混合集成技术，最好的技术即将到来。
多个应用市场
光谱传感最着名的应用是测量葡萄糖水平，帮助糖尿病患者监测病情。实现这项技术并不容易，因为要在皮肤上（即组织基质）检测葡萄糖，人与人之间的差异性很大，同一人每天的情况也有所不同。当克服这些挑战后，还会面临一个问题，血糖监测需要一个高度规范的环境。即使有一种技术已经解决好所有这些问题，也可能需要长达十年的时间才能进入市场。
透皮光谱传感器的一个应用领域是监测乳酸。追踪人体血液中乳酸浓度的好处是，乳酸浓度的上升是败血症的警报器，而败血症是全世界五分之一的医院糖尿病死亡的原因。
图5（上图）Brolis首台集成GaSb / SOI的传感器，该传感器基于四个扫频激光器，已经在内部进行生产。在GaSb增益芯片的右下角，可以看到耦合到SOI外腔，同时在SOI上倒装的四个GaSb基光电探测器，用于波长控制；输出功率监控（中心）：以及用于增益芯片耦合的三个附加端口（侧面）。（中图）当前混合集成过程的快照–可以看到两个对接耦合至SOI的GaSb增益芯片。自动混合集成机器人是由Brolis内部设计并制造的。（下图）用于评估板的已组装的BROLIS传感器演示器（当前仅用于内部测试）。对接耦合到SOI的所有四个增益芯片都是可见的。
除此之外，由于乳酸是无氧运动和疲劳的生物指标，因此在耐力和力量运动中具有重要意义。对于许多职业运动员、教练和业余运动员来说，在运动过程中监测乳酸动态的梦想即将成真。这种实时检测将使运动员能够精确地调整训练强度，避免过度训练和受伤，并提高成绩。如果光谱传感器采用集成芯片的形式，就可以将其融入到可穿戴设备的外形设计中，并瞄准此类消费群体。
另一个需要重要考虑的分子是乙醇，它是测量血液浓度中酒精含量的关键。通过测量皮肤的反射光谱来确定乙醇的含量（见图6）。该技术可以抑制酒精类事故的发生，例如酒后驾驶，酒后工作。此外，通过提供自我监控功能，可以帮助每个人承担更多的个人责任。知道自己喝了太多的酒，以至于无法安全地工作或开车，总好过在丧命之后被“抓个现行”。
如果这种设备能够以可穿戴的形式集成到可穿戴/智能手表平台上，那么个人酒精监测系统的使用率会非常高。在物联网时代，另一种选择是将传感器与关键的机械部件（例如汽车或工业工具）集成在一起。这可以防止醉酒的司机开车，防止受酒精影响的操作员使用机械。
与其他分子的经皮测量一样，确定乙醇的含量也是一项挑战。需要漫长且昂贵的研发工作才能成功，因此传感器要进入市场至少需要三到五年的时间。
图6.含有乙醇的组织基质的经皮光学信号，以反射几何法（蓝线）测量和乙醇吸收光谱（橙色）测量，在透皮光信号中可以清晰地看到乙醇吸收峰的特征。
在基于GaSb技术对复杂的经皮传感产生影响之前，我们希望将其部署在手持式流体光谱传感领域。在酿造工业，精确确定乙醇含量，区分不同的醇并在过程中控制它们是至关重要的。将光谱传感器添加到现有的工业机械上，并将手持式光谱仪用于家庭或小规模的酿造是很容易的。
另一个应用是在燃料或其他流体基质中使用乙醇含量传感器。该传感器可以是手持式的，也可以整合到现有的工业机械中。
GaSb基传感器的另一个潜在应用是分类塑料，用于回收或其他目的。在1.5μm到2.5μm的光谱范围内，可通过清晰可辨的特征来识别不同种类的塑料（见图7）。基于我们技术的激光光谱仪为当前解决方案——昂贵的短波红外摄像机，提供了更实惠，更紧凑的替代方案。
图7.利用不同材料的透射光谱对不同类型的塑料进行分类。
光谱传感在农业领域也有潜在商机。这项技术可以识别牛奶成分，例如脂肪，蛋白质和尿素，因为它们在1.5μm和2.5μm之间具有明显的吸收特征。实时监测牛奶含量并跟踪个体奶牛及其牛群的趋势具有诸多益处。如果牧场主监测并记录乳脂，乳蛋白，体细胞计数和尿素含量，他们就可以调整营养并获得乳腺炎的早期预警。
有了这种洞察力，牧场主就可以采取预防措施，而不是最终开出抗生素处方并终止奶牛的生产。我们的技术可以将传感硬件轻松集成到大多数现有的挤奶机械中。
上述列出的示例仅是流体，固态和气体传感应用的一小部分。关键在于，我们目前的光谱传感器是一种功能强大的通用硬件，即将广泛扫描的混合GaSb / SOI激光器与不需要冷却的基于GaSb的检测器结合在单个芯片上，满足细分市场，并可扩展到服务于消费者的应用中。
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