SMART、世界最小のLEDとホログラフィック顕微鏡を作製

September, 26, 2023, San Diego--シンガポールにあるMITの研究企業、シンガポール-MIT研究技術同盟(SMART)のDisruptive & Sustainable Technologies for Agricultural Precision(DiSTAP)とCritical Analytics for Manufacturing Personalized-Medicine(CAMP)学際的研究グループ(IRG)の研究者は、既存の携帯電話のカメラを高解像度顕微鏡に変換できる世界最小のLEDを開発した。
光の波長よりも小さい新しいLEDは、世界最小のホログラフィック顕微鏡を構築するために使用され、携帯電話などの日常的なデバイスの既存カメラをシリコンチップとソフトウェアを変更するだけで顕微鏡に変換する道を開いた。この技術はまた、屋内農家と持続可能な農業の診断小型化への重要な前進である。

このブレークスルーは、ホログラフィック顕微鏡で測定された物体を再構築できる革新的なニューラルネットワーキングアルゴリズムの研究者の開発によって補完され、大きな従来の顕微鏡や追加の光学系を必要とせずに、細胞や細菌などの微小物体の検査改良を可能にする。この研究はまた、フォトニクスの大きな進歩への道を開く-マイクロメートルよりも小さい強力なオンチップエミッタの構築は、この分野で長い間課題となっていた。

ほとんどのフォトニックチップの光はオフチップ光源から発生するため、全体的なエネルギー効率が低くなり、これらのチップのスケーラビリティが根本的に制限される。この問題に対処するために、研究チームは希土類添加ガラス、Ge-on-Si、および不均一に統合されたIII–V材料などのさまざまな材料を使用してオンチップエミッタを開発した。これらの材料に基づくエミッタは有望なデバイス性能を示しているが、それらの製造プロセスを標準の相補型金属酸化膜半導体(CMOS)プラットフォームに統合することは依然として容易ではない。シリコン(Si)はナノスケールで個別に制御可能なエミッタの候補材料としての可能性を示しているが、Siエミッタは間接的なバンドギャップのために量子効率が低く、この根本的な欠点と利用可能な材料と製造ツールによって設定された制限が相俟って、CMOSで小型ネイティブSiエミッタの実現を妨げている。

最近発表されたNature Communications論文「CMOSプラットフォームに統合されたサブ波長Si LED」で、SMARTの研究者は、はるかに大きな放射面積を持つ最先端のSiエミッターに匹敵する光強度を持つ、報告された最小のSiエミッターの開発について説明している。関連するブレークスルーとして、SMARTの研究者は、最近Optica誌に掲載された「訓練されていないディープニューラルネットワーク(DNN)による同時スペクトル回復とCMOS microLEDホログラフィ」というタイトルの論文で、ホログラフィック顕微鏡から画像を再構築できる新しいuntrained DNNアーキテクチャの構築も発表した。

SMARTの研究者によって開発された新しいLEDは、室温でCMOSに統合されたサブ波長スケールLEDであり、高い空間強度(102 ± 48 mW/cm2)を示し、科学文献で知られている全てのSiエミッター中で最小の発光面積(0.09±0.04µm2)である。潜在的な実用化を実証するために、研究チームは、このLEDを、レンズやピンホールを必要としないインライン、センチメートルスケール、全シリコンホログラフィック顕微鏡に統合し、レンズレスホログラフィとして知られる分野に統合した。

レンズレスホログラフィで一般的に直面する障害は、画像化された物体の計算再構成である。従来の再構成方法では、正確な再構成のために実験セットアップの詳細な知識が必要であり、光学収差、ノイズの存在、二重像の問題などの制御が困難な変数に敏感である。

研究チームはまた、画像再構成の品質を向上させるためのDNNアーキテクチャを開発した。この新しい訓練されていないDNNは、コントラストを高めるための全変動正則化を組み込み、ソースの広いスペクトル帯域幅を考慮に入れている。トレーニングデータを必要とする従来の計算再構成方法とは異なり、このDNNは、アルゴリズム内に物理モデルを埋め込むことでトレーニングの必要性を排除する。ホログラフィック画像の再構成に加えて、ニュートラルネットワークは、単一の回折強度パタンからのブラインドソーススペクトル回復も提供し、以前のすべての教師あり学習技術からの画期的な離脱を示している。

この研究で実証された訓練されていないニューラルネットワークにより、研究者は、完全商用、未変更バルクCMOSマイクロエレクトロニクスにより製造された、新規、最小の既知のSi LEDなど、ソーススペクトルやビームプロファイルの予備知識なしで新しい光源を使用できる。

研究チームは、CMOS microLEDsとニューラルネットワークのこの相乗的な組み合わせが、生細胞追跡用の小型顕微鏡や生きている植物などの生体組織の分光イメージングなど、他の計算イメージングアプリケーションに使用できると考えている。この研究は、次世代のオンチップイメージングシステムの実現可能性も示している。すでに、インラインホログラフィ顕微鏡は、粒子追跡、環境モニタリング、生物学的サンプルイメージング、計測学など、さまざまな用途に採用されています。その他のアプリケーションには、これらのLEDをCMOSにアレイして、将来のより複雑なシステム向けにプログラム可能なコヒレント照明を生成することが含まれる。

Optica論文の筆頭著者、この研究の時点でMITの研究助手、Iksung Kangは、「われわれのブレークスルーは、microLEDsの使用を必要とする多くのアプリケーションに大きな影響を与える可能性のある概念実証である。たとえば、このLEDをアレイに組み合わせて、大規模なアプリケーションに必要な高レベルの照明を実現できる。さらに、マイクロエレクトロニクスCMOSプロセスの低コストとスケーラビリティにより、システムの複雑さ、コスト、またはフォームファクタを増やすことなくこれを行うことができる。これにより、携帯電話のカメラをこのタイプのホログラフィック顕微鏡に比較的簡単に変換できる。さらに、制御電子機器やイメージャーでさえ、プロセスで利用可能な電子機器を利用することで同じチップに統合できるため、この分野に変革をもたらす可能性のある「オールインワン」microLEDを造れる」とコメントしている。

「レンズレスホログラフィにおける計り知れない可能性に加えて、われわれの新しいLEDには他にも幅広い用途がある。その波長は生体組織の最小吸収ウィンドウ内にあり、高強度でナノスケールの発光領域であるため、われわれのLEDは、近接場顕微鏡や埋め込み型CMOSデバイスなどのバイオイメージングおよびバイオセンシングアプリケーションに最適である」と、SMART CAMPの主任研究者、MITの電気工学教授、両論文の共著者、Rajeev Ramは付け加えている。「また、このLEDをオンチップのフォトディテクタと統合することが可能であり、オンチップ通信、NIR近接センシング、およびフォトニクスのオンウェーハテストにさらなるアプリケーションを見つけることが可能である」と同氏は、コメントしている。
(詳細は、https://smart.mit.edu)