近日，新加坡与麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）研究人员宣布开发出了世界上最小的基于CMOS工艺的硅基LED，其发射光谱以1100nm为中心，发射面积小于0.14 μm。这种LED具有 >50 mW/cm 的高空间强度，单个LED就可以同时照亮硅基CMOS图像传感器的约950万像素（> 1 cm 面积），可与具有更大发射面积的最先进的硅基发射器相媲美，并且全息图的信噪比（SNR）足以重建随机分布的20 μm直径的乳胶珠（latex beads）。其有望让智能手机的相机应用再提升，成为容易携带的高解析度显微镜。

光子和电子元件集成在一个芯片上

光子学是一门研究光子传输和特性的技术领域。光子学的发展带动了包括光数据通信、成像、生命科学和医疗保健以及照明和显示器在内的广泛领域的创新。

虽然光子芯片（包含两个或多个光子元件组成一个功能电路的微芯片）在照明领域已经取得了长足的进步，但集成一个小的、明亮的芯片上的光发射器仍然难以捉摸。通常，制造商采用片外光源，这种光源的能量效率很低，并且限制了光子芯片的可扩展性。

现在，芯片外发射器可能已经成为过去，这要归功于新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）的研究人员，他们开发出了世界上最小的硅发光二极管（LED），其宽度不到1微米，而且具有与更大的硅LED相当的强度。

以前的片上发射器很难集成到标准的互补金属氧化物半导体（CMOS）平台中。CMOS 是一种建立在印刷电路板上的集成电路，是当今大多数芯片中使用的半导体技术。在手机中，CMOS 被用作相机的“眼睛”。

在这里，研究人员将他们的微小硅LED放置在55nm的CMOS节点上，与其他光子和电子元件一起放在一个芯片上。

测试LED如何应用在现实世界

为了测试LED如何应用在现实世界，他们将其放置在无透镜全息显微镜中，这种显微镜比普通显微镜小，价格更低。研究人员使用一个光源来照亮样品，让光线散射到一个CMOS数位图像传感器上，形成一个数位全息图，再由计算机处理图像生成。

不过，用这种显微镜重建图像时可能有些困难，因为需要了解光源的孔径、波长以及样品到传感器的距离。对此，研究人员使用一种神经网络算法来重建全息显微镜观察的物体。

研究人员发现，全息镜头提供比普通光学显微镜更精确的高分辨率图像，其分辨率约20微米，比人类皮肤细胞（直径是20到40微米）和白血球（30微米）还小。

研究人员认为，这些研究可能有助于重建微观物体，如人体组织样本和植物种子，也可用于现有的智慧手机镜头，只需修改手机的硅胶芯片和软件，就能将手机转换成高分辨率的显微镜。

研究作者Rajeev Ram表示，新LED因为波长关系，再加上高强度和奈米级的发射区域，有望成为生物成像和生物感应应用的理想选择。

该研究的通讯作者拉吉夫·拉姆（Rajeev Ram）说：“除了在无透镜全息摄影方面的巨大潜力之外，我们的新型LED还有广泛的其他可能的应用。由于其波长在生物组织的最小吸收窗口内，加上其高强度和纳米级发射区域，我们的LED可能是生物成像和生物传感应用的理想选择，包括近场显微镜和植入式CMOS器件。”

文章来源： 科技新报，知新了了