Nieuwe uitdaging voor halfgeleiders

Marianne Vincken

De prijs, de betrouwbaarheid en de reproduceerbaarheid van optische sensoren en biosensoren gemaakt met cmos-technologie brengt grootschalige toepassingen over een jaar of vijf binnen bereik.

‘Je hoeft niet zoveel fantasie te hebben om veel sensortoepassingen gebaseerd op optische chiptechnologie te bedenken’, zei Roel Baets, hoogleraar bij de Photonics Research Group van de Universiteit Gent en IMEC, tijdens zijn voordracht op het Fotonica Evenement 2010 op 30 maart in Nieuwegein. ‘Je kunt denken aan het meten van kwaliteit van lucht en water, het detecteren van verontreinigingen of de aanwezigheid van proteïnes die op bepaalde ziektebeelden duiden.’

 

Zo’n optische sensor werkt als volgt. Het silicium oppervlak wordt voorzien van een laag moleculen die chemisch reageren met de te meten moleculen in het gas of de vloeistof. Of die reactie plaatsvindt kan gemeten worden door de veranderde absorptie of breking van licht. De groep van Baets in Gent gebruikt ondermeer ringresonatoren als sensor. Dat zijn optische filters met een scherpe resonantiefrequentie. Als zich daar een ander molecuul aan hecht, verandert de resonantiefrequentie.

 

Het principe van dergelijke meetsystemen wordt al langer gebruikt in grote meetsystemen die vaak duizenden euro’s kosten. Onder andere de groep van Baets onderzoekt het gebruik van siliciumtechnologie, cmos-technologie (voluit complementary metal oxide semiconductor), om de sensoren goedkoop – enkele tientallen euro’s -, reproduceerbaar en betrouwbaar te kunnen produceren.

 

Baets: ‘Vroeger heette het dat het moeilijk was om met silicium licht te genereren. Daar had je exotischer halfgeleiders zoals galiumarseen en indiumfosfide voor nodig. Maar sinds een jaar of tien is men het potentieel van silicium voor optische integratie gaan exploreren.’ En met succes dus. Een bijkomend voordeel is dat cmos-fabrieken, die nu toch echt rekening houden met het einde van de race naar de kleinst mogelijke transistorstructuren, op zoek zijn naar nieuwe producten om hun fabrieken mee te vullen. Ze zijn, anders dan tien jaar geleden, ook niet meer zo huiverig om andere materialen in hun processen toe te laten.

 

Als voorbeeld noemt Baets een biosensor om het glucosegehalte in weefsel te kunnen meten. Daarmee zouden diabetespatiënten hun bloedsuikerspiegel de hele dag in de gaten kunnen houden en zou, indien nodig, een insulinepompje aangestuurd kunnen worden. ‘Nu is dit een veeleisende toepassing, voornamelijk omdat het te meten signaal zwak is ten opzichte van het signaal van water dat zich altijd in het weefsel bevindt. Maar als het lukt heeft het voor de miljoenen suikerpatiënten op de wereld natuurlijk een verbetering van de kwaliteit van leven tot gevolg.’

 

Naast deze zijn er minder veeleisende toepassingen die sneller werkelijkheid kunnen worden. Meten van luchtkwaliteit, waterkwaliteit of het aantonen van verontreinigingen is eenvoudiger realiseerbaar. Sensoren met een aantal verschillend gefunctionaliseerde oppervlakken die tegelijkertijd concentraties van een aantal verschillende stoffen kunnen meten, werken al. Baets droomt nog van een chip die daarnaast een groot aantal lasers met verschillende golflengtes bevat. Hij richt zich daarbij op heterogene integratie, een combinatie van silicium en indiumfosfide. ‘Ik denk dat we over een jaar of twee voor een aantal eenvoudiger toepassingen het principe hebben aangetoond en dat we over productontwikkeling kunnen gaan nadenken.’

 

Een varkenshart waarvan de slagaders gevuld zijn met fluorescent materiaal, voor onderzoek naar de doorbloeding van het hart. De foto is gemaakt door Jeroen van Wijngaarden, postdoc bij het Academisch Medisch Centrum, Amsterdam. Hij won hiermee de fotowedstrijd die het Fotonica Evenement elk jaar organiseert .