成像芯片器件十余年“瘦身”之路

立于幕布前，舉起剪裁精致的人物皮影，一出惟妙惟肖的皮影戲就此登場。鮮為人知的是，皮影戲里不只有中國民間傳統(tǒng)藝術(shù)，也有啟發(fā)科研人員探尋光影世界微觀成像的靈感。

“如果把細(xì)胞比作皮影，把成像芯片比作幕布，那么用光將細(xì)胞投影到芯片上，就相當(dāng)于將皮影投影到幕布上，所見即所得。成像芯片的分辨率足夠高，能捕捉的圖像視野足夠大，就能看到更多的細(xì)胞，同時還能清晰地看到細(xì)胞里的細(xì)節(jié)。”日前，在位于南京市東郊的一處實驗室中，南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院副研究員楊程拿著一塊指甲蓋大小的芯片，用這番比喻，講述了該團(tuán)隊十余年的“光影之旅”。

對于投影顯微成像來說，分辨率直接受限于成像芯片的像素尺寸，視野則受限于成像芯片的像素規(guī)模。在科技部國家重點研發(fā)計劃“納米科技”重點專項的支持下，2009年至今，該團(tuán)隊將像素尺寸從1微米降低到500納米，將像素規(guī)模從100萬增加到4億，研制出了世界上單芯片像素規(guī)模最大、空間分辨率最高的可見光成像芯片。

而支撐芯片技術(shù)的核心，是原始創(chuàng)新技術(shù)——垂直電荷轉(zhuǎn)移成像器件（VPS）?？蒲袌F(tuán)隊像搭樂高積木一樣，將圖像傳感器中原本需要5個器件才能完成的單元像素功能，在垂直方向上集成為一個統(tǒng)一的器件?！拔搴弦弧钡南袼亟Y(jié)構(gòu)，大大節(jié)省了器件空間，這使得在“寸土寸金”的芯片中，可以集成更多“瘦身”的器件。得益于這一結(jié)構(gòu)的設(shè)計，VPS器件并不會像主流的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）圖像傳感器一樣因為像素縮小而導(dǎo)致成像質(zhì)量急劇下降。

近期，該團(tuán)隊在芯片的基礎(chǔ)上，還研制了全視野高分辨率數(shù)字芯片顯微成像系統(tǒng)，用于臨床醫(yī)學(xué)檢驗和病理分析。

像素尺寸無法不斷縮小

我們?nèi)庋勰芸吹降淖钚∥矬w，大約200微米。400多年前，科學(xué)家發(fā)明光學(xué)顯微鏡后，微觀世界的奇觀才在鏡片下大放異彩。不過，傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡先是通過物鏡和目鏡對目標(biāo)物體進(jìn)行兩次局部放大，然后人眼進(jìn)行觀察或者成像芯片記錄。觀察的視場受限于光學(xué)放大的區(qū)域，也就是說，放大倍數(shù)越大，所觀察的視野越小。

圖像傳感器是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子信號的設(shè)備，它被廣泛地應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)和其他電子光學(xué)設(shè)備中。進(jìn)入工業(yè)化時代，主流圖像傳感器技術(shù)卻始終無法突破像素尺寸與信噪比之間的矛盾。

“當(dāng)前主流圖像傳感器可分為電荷耦合器件（CCD）和CMOS圖像傳感器（CIS）兩類。CCD發(fā)展較早，但CCD工藝的特殊性和技術(shù)的封閉性使其無法再進(jìn)一步發(fā)展。”楊程介紹，相較而言，CIS更為主流。CIS采用的是標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝，工藝成本比CCD低，同時CIS得益于CMOS工藝的不斷改進(jìn)而獲得了快速的發(fā)展，高動態(tài)范圍、高幀頻、低噪聲等技術(shù)不斷出現(xiàn)。目前CMOS圖像傳感器性能已經(jīng)得到了大幅度提升，與CCD性能相當(dāng)。另外，CIS的陣列架構(gòu)為每個像素獨(dú)立，各像素單元之間無相互影響，因此成品率較高，且工作速度更快。這些使得CIS已經(jīng)基本取代CCD成了商業(yè)市場的主流圖像傳感器。

“但因為CIS的單元像素由1個二極管和3～4個晶體管組成，隨著像素尺寸的進(jìn)一步縮小，信噪比無法滿足成像需求，這使得CIS遇到了顯著的技術(shù)瓶頸?！睏畛陶f。

器件“瘦身”助力芯片大規(guī)模集成

能否設(shè)計一款區(qū)別于以往結(jié)構(gòu)的圖像傳感器，從源頭提高傳感器的性能？這個問題2009年進(jìn)入了團(tuán)隊的研究視野?！?009年之后，CIS技術(shù)遇到很大的瓶頸，像素點始終在1微米左右徘徊，再往下縮小，信噪比也急劇下降，這就嚴(yán)重影響成像質(zhì)量，團(tuán)隊在想能否把復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)變成一個單一的晶體管結(jié)構(gòu)，用一個器件實現(xiàn)5個功能?！痹趯嶒炇抑?，南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院副教授馬浩文指著一張圖像傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖介紹。

他們設(shè)計的垂直電荷轉(zhuǎn)移成像器件，像一個搭好的樂高積木，CIS器件中形成像素的5大功能模塊都被垂直堆疊起來形成一個整體。

“垂直結(jié)構(gòu)會縮小芯片的面積，降低芯片成本，但設(shè)計、加工、制造過程很艱難。首先是器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，要解決電路設(shè)計、像素之間的串?dāng)_問題，像素縮小之后，還要保持信噪比，這都需要與代工廠深度合作，優(yōu)化加工工藝?！瘪R浩文解釋。

“如果把制造芯片比作蓋房子，那么VPS就是蓋房子的磚塊，我們首先要研究怎么做磚塊，再思考如何把磚塊利用最優(yōu)的方式蓋成房子，這涉及芯片制造中一整套工藝流程和參數(shù)。由于VPS是我國完全自主原創(chuàng)的顛覆性技術(shù)，所以沒有參考經(jīng)驗可循，需要針對VPS器件的特點量身定制芯片?！睏畛瘫硎?，目前，VPS的核心專利已獲得中國、美國、韓國、日本和歐盟的授權(quán)。

突破重重困難，團(tuán)隊先后進(jìn)行了4次突破性創(chuàng)新。馬浩文介紹，他們用了1年完成概念驗證，2010年設(shè)計出100萬像素規(guī)模、1微米的芯片，實現(xiàn)了亞微米尺寸像素，達(dá)到國際領(lǐng)先水平；2012年解決了器件大規(guī)模集成的問題，研制出2500萬像素、950納米尺寸的芯片；2015年將像素規(guī)模提高到1.4億，實現(xiàn)了近場和遠(yuǎn)場成像；2018年，像素規(guī)模達(dá)到4億，像素尺寸只有500納米。這是世界上像素尺寸最小、像素規(guī)模最大、空間分辨率最高的可見光成像芯片。

兼具高分辨和大視野優(yōu)勢

如今，圖像傳感芯片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于體外診斷行業(yè)，與光學(xué)透鏡、機(jī)械掃描裝置等結(jié)合，提升了光學(xué)檢測的數(shù)字化程度。

“將成像芯片做到2500萬像素的時候，我們就開始考慮芯片在醫(yī)療領(lǐng)域的使用場景了。因為當(dāng)像素足夠小的時候，就可以用在顯微領(lǐng)域了?！瘪R浩文說，目前團(tuán)隊正在研發(fā)的數(shù)字顯微芯片也正從設(shè)想變成現(xiàn)實。

在實驗室中，楊程拿出一塊特殊的芯片，芯片的表面粘有一個微流腔，中間為一片透明的玻璃片，兩頭各有一根細(xì)短的導(dǎo)流管。

“微米尺度的細(xì)胞等可以通過導(dǎo)流管注入到微流腔，平鋪在成像芯片表面，光源發(fā)出光后，照在細(xì)胞上，芯片的像素可以同時攝取整個芯片表面的光信號，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，快速呈現(xiàn)全視野高分辨率的細(xì)胞投影圖像，瞬時捕獲細(xì)胞、微生物或微粒子的顯微圖像?！睏畛探忉專靡嬗赩PS單個晶體管的特殊像素結(jié)構(gòu)，當(dāng)像素尺寸越小時，能分辨的細(xì)節(jié)便越小，而當(dāng)像素數(shù)目越多，觀測的視野就越大。

“我們現(xiàn)在小批量生產(chǎn)的數(shù)字顯微芯片，突破了光學(xué)顯微鏡高分辨和大視野無法兼得的矛盾，單次拍照即可瞬間獲取全視野高分辨率數(shù)字圖像，與傳統(tǒng)顯微鏡相比視野擴(kuò)大500倍，并且數(shù)字顯微芯片核心部件只有一元硬幣大小，放入現(xiàn)有的醫(yī)療儀器中可以大大縮小設(shè)備的體積，這給未來醫(yī)療器械進(jìn)入社區(qū)、家庭提供很大的想象空間?！瘪R浩文說，目前團(tuán)隊已完成包括血細(xì)胞、尿、糞有形成分、陰道微生態(tài)的形態(tài)學(xué)檢測及宮頸癌脫落細(xì)胞篩查等方面的初步驗證。

細(xì)胞世界可以更清晰地展示于芯片之上，這也讓團(tuán)隊腦洞大開，創(chuàng)新地提出在芯片上“養(yǎng)細(xì)胞”?！俺上裥酒庋b后，可以直接作為活細(xì)胞培養(yǎng)的載體。我們在無接觸、不移動樣品的前提下，首次實現(xiàn)了同時對數(shù)萬個細(xì)胞生長狀態(tài)和變化的大視場、實時動態(tài)監(jiān)測。例如，芯片曾經(jīng)記錄下免疫細(xì)胞吞噬人結(jié)直腸癌細(xì)胞的全過程?！睏畛陶f，目前現(xiàn)有的活細(xì)胞工作站無法對比遠(yuǎn)距離的多個細(xì)胞同一時刻的生長狀態(tài)，而他們研發(fā)的活細(xì)胞動態(tài)培養(yǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測、記錄活細(xì)胞的“一舉一動”，目前，團(tuán)隊已研制出工程樣機(jī)，“這有望為腫瘤治療、藥物篩選等提供革命性手段”。