用于微盘激光粒子和多重态激光粒子的系统和方法技术方案

半导体晶片的第一层、第一间隔层和第二层可以被蚀刻以产生多个柱状结构，该多个柱状结构从衬底层延伸并且包括围绕第一增益介质定位的第一光学腔、围绕第二增益介质定位的第二光学腔以及接触第一增益介质和第二增益介质的第一间隔区。此外，由分层的半导体晶片形成并具有柱状结构的光子微粒具有围绕第一增益介质定位的第一光学腔、围绕第二增益介质定位的第二光学腔以及接触第一增益介质和第二增益介质的第一间隔区。光子微粒中的第一光学腔和第二光学腔在被能量激发时各自能够生成具有不同光谱峰的激光。有不同光谱峰的激光。有不同光谱峰的激光。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于微盘激光粒子和多重态激光粒子的系统和方法
关联申请的交叉引用
[0001]本申请基于2020年9月8日提交的标题为“用于微盘激光粒子和多重态激光粒子的系统和方法”的美国临时申请序列号63/075468并要求其优先权，以及通过引用并入本文中。关于联邦资助研究的声明
[0002]本专利技术是在由美国国家科学基金会授予的ECCS
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1505569和由美国国立卫生研究院授予的DP1
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DB024242的政府支持下作出的。政府具有本专利技术中的特定权利。

技术介绍

[0003]本公开总体上涉及可以被嵌入、植入、注入或以其他方式设置在诸如生物细胞和组织之类的样本中的激光器。更具体地，本公开涉及由有机材料和无机材料制成的可光学激发的激光粒子，以及激光粒子的制造、功能化、递送和成像，以及它们作为用于大规模并行成像、传感器和测定的探针的用途。
[0004]诸如染料、荧光蛋白和量子点之类的荧光探针已成为生物医学成像、细胞分选、免疫组织学、高吞吐量筛选和众多其他生化测量中的重要工具。虽然这些发光探针非常有用，但它们相对较宽的发射光谱(诸如，30
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100nm)限制了可以同时被使用而不会产生歧义的探针的数量，以及经常使它们的光谱无法与组织中内源性分子的背景发射区分开来。常规的荧光显微镜可以被配备成用于分辨3到4种染料，以及最先进的细胞仪被限于11个通道。复用四种不同的染料可以给出16(＝24)种组合。在细胞中以不同比率同时表达编码蓝色、绿色和红色荧光蛋白的三种基因(如Brainbow和RGB标记)，可以生成数百种颜色。然而，转染是随机的，以及颜色读数的保真度容易出现噪音。迄今为止，用于成像的荧光颜色数量已经被限制在少于例如十几种。
[0005]由于分子中电子能级的量子力学展宽，设计荧光团以实现更窄的发射线宽具有根本性的挑战。不规则的形状和热力学波动导致来自半导体量子点的发射的光谱展宽。金属纳米粒子中等离子体电子振荡的衰减导致>50
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100nm的发射宽度。通过与这些电子共振进行比较，光学共振提供了用于生成窄发射线的有效方法。激光是很好的示例。通过将荧光团和半导体材料放置在光学腔内，极窄的光谱线可以被产生。单频激光器的输出波长可以是百万分之一纳米，可以通过改变腔共振在整个增益宽度上进行调谐。
[0006]克服这些限制的一项潜在技术是使用微粒(称为激光粒子(laser particle，LP))，它发射非常窄带的辐射(<1nm线宽)。LP包括被嵌入在高折射率光学共振器内的增益材料。诸如光泵之类的外部能量源激发增益介质，导致介质内的粒子数反转(population inversion)，从而经由受激发射导致光学反馈的正循环，从而导致激光的约束和发射。LP发射的波长由两个因素决定。第一个是增益介质的化学组合物，其粗略地定义了材料可以辐射的波长范围。针对诸如磷化铟镓砷化物(InGaAsP)之类的材料，对于给定的相对组合物，该范围可以是大约100nm。在每个100nm带内，激光发射可以具有不同的发射波长，该发射波长是通过精细调整每个LP的半径来确定的。对于给定的半径，腔的共振条件将在特定的离
散发射波长下被满足。这使得粒子的发射特征能够采用由连续变量(粒子的半径)确定的值。这项最近发现的技术已经使大约400个不同发射波长的粒子能够使用五种不同的材料同时被分辨。然而，由于在单细胞分析领域的最近的研究典型地使用数千到数万个细胞，这些现有的基于激光粒子的技术的标记能力仍然无法充分处理许多标记应用。
[0007]相关地，半导体行业制造纳米结构和微型结构(包括激光粒子)的能力已经彻底改变了社会，产生了范围从集成电路到量子点的技术。这些结构的流行经常源于它们的电光属性(例如，可见光频率和近红外频率的电子带隙)，以及能够实现光学约束的高折射率。现代半导体生长技术可以被用于产生化合物半导体的外延膜，该化合物半导体由多种化学元素的混合物组成，其比率可以在晶体生长过程期间变化，以跨连续值范围来调整所得材料的属性。然而，大小超过几个原子间距离的单晶化合物的生长典型地必须在预先存在的半导体晶体上以多步方式进行。从历史上看，这些生长状况限制了由这些半导体膜制造的结构在片上应用中的使用，在这些片上应用中所得结构在原始生长衬底的顶部原位操作。最近，已经有可能将这些结构从它们的原生生长环境中移除，将它们转移到液体悬浮液中。这种制造过程已允许将诸如半导体微盘激光器之类的结构并入到包括生物组织在内的各种新环境中，在该各种新环境中，这些结构已经被用于成功地用各个标识符标记癌细胞，这些生物组织使用已知为激光粒子受激发射显微镜的最近开发的成像技术是可读的。
[0008]如上所述，激光粒子(LP)的主要优势源于它们的发射光谱，它们的发射光谱可能非常窄带：频繁地表现出小于1nm的半峰全宽，比典型的荧光染料好不止一个数量级。这种属性是通过首先将从粒子发射的光约束在维度范围从几百纳米到几微米的高折射率腔中来实现的。在一个或多个离散波长下，腔的共振条件将被满足，导致腔模式内的光学功率积聚，其随后将在共振波长处辐射该功率。在不具有由光谱重叠引起的分歧的情况下，窄发射线宽使数百个不同的粒子能够同时被分辨。这使得LP技术非常适合涉及标记和跟踪各个细胞的应用。
[0009]不幸的是，一个当前的限制源于基于半导体微盘的LP技术的可扩展性的缺乏。已经制造用于直接转移到液体悬浮液中的半导体微盘激光器的现有研究仅使用二维制造工艺，其中产生的激光腔中的每一个都来自相同的外延层。实际上，这将每平方厘米的晶片可以被产生的LP数量限制在约107个(假设每个粒子的直径约为2.5μm)，这远远低于使用诸如染色乳胶微球之类的替代性粒子技术可以被获得的数量，该染色乳胶微球具有典型浓度为约5x 109粒子/mL(假设2.5％固体悬浮液)。因此，增加微盘激光LP产量的一种方法是使用更大表面积的晶片。然而，在其上生长近红外有源外延层的、诸如磷化铟之类的III
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V型半导体可能极其昂贵。
[0010]由此，存在对于新的制造方法和具有允许增加的数量的目标被同时标识的改进的标记能力的激光粒子构造的需要。附加地，存在对于新的制造方法的需要，该新的制造方法在不具有与使用更大面积的晶片相关联的挑战和添加的费用的情况下，允许激光粒子的增加的产量。

技术实现思路

[0011]本公开通过提供部分地基于分层制造技术的新的形成方法、构造和系统来解决先前的激光粒子努力的缺点，该分层制造技术可以被用于产生众多单腔激光粒子或产生多腔
激光粒子，该多腔激光粒子被称为多重态激光粒子(multiplet laser particle，mLP)。多种制造技术被提供，其允许激光粒子从分层的晶片中的不同外延层产生。若干种方法变体被提供，通过这些方法变体，单重态激光粒子或多重态激光粒子可以被制造并被释放到悬浮液中。因为单重态激光粒子可以从具有多个有源层的晶片中被产生，与使用类似大小的晶片的现有技术相比，被产生的数量可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种显微镜系统，包括：泵光源；光束扫描仪；光谱仪，所述光谱仪包括：小于5纳米的分辨率；以及超过1千赫兹的采集速率；光谱分析仪，所述光谱分析仪被配置成用于将激光输出的光谱峰与由于荧光引起的宽带背景进行区分；以及样本，所述样本包含一个或多个光子激光微粒，其中，每个微粒被配置成用于在被能量激发时生成具有多个不同的光谱峰的激光。2.如权利要求1所述的显微镜系统，其中，所述一个或多个光子激光微粒各自包括：第一光学腔，所述第一光学腔围绕第一增益介质定位；第二光学腔，所述第二光学腔围绕第二增益介质定位；以及第一间隔区，所述第一间隔区接触所述第一增益介质和所述第二增益介质，其中，所述第一光学腔和所述第二光学腔在被能量激发时各自能够生成具有所述多个不同的光谱峰的所述激光。3.如权利要求1所述的显微镜系统，其中，所述一个或多个光子微粒各自包括半导体，所述半导体包括衬底层、由包括一种或多种无机材料的第一增益介质形成的第一层、由包括一种或多种无机材料的第二增益介质形成的第二层以及位于所述第一层与所述第二层之间的第一间隔层。4.如权利要求3所述的显微镜系统，其中，所述第一层、所述第一间隔层和所述第二层形成多个柱状结构，其中，所述柱状结构从所述衬底层延伸并且每个柱状结构包括围绕所述第一增益介质定位的第一光学腔、围绕所述第二增益介质定位的第二光学腔以及接触所述第一增益介质和所述第二增益介质的第一间隔区。5.如权利要求4所述的显微镜系统，其中，所述第一光学腔和所述第二光学腔与所述第一间隔层分开。6.如权利要求1所述的显微镜系统，其中，所述一个或多个光子激光微粒各自包括：第一层，所述第一层由包括一种或多种无机材料的第一增益介质形成；第二层，所述第二层位于所述第一层之上并由包括一种或多种无机材料的第二增益介质形成；第一间隔层，所述第一间隔层位于所述第一层与所述第二层之间；并且其中，所述第一层、所述第一间隔层和所述第二层形成多个柱状结构，并且其中，所述柱状结构包括围绕所述第一增益介质定位的第一光学腔、围绕所述第二增益介质定位的第二光学腔以及接触所述第一增益介质和所述第二增益介质的第一间隔区。7.如权利要求6所述的显微镜系统，其中，以下中的至少一项：所述第一光学腔与所述第二光学腔生成不同的光谱峰；所述第一增益介质与所述第二增益介质具有不同的特定增益谱；所述第一增益介质和所述第二增益介质具有至少一个基本上不同的维度；或者所述第一光学腔与所述第二光学腔生成大致相同的光谱峰。
8.如权利要求6所述的显微镜系统，其中，所述第一间隔区包括外延生长的半导体材料，所述半导体材料具有允许所述第一间隔区相对于所述第一增益介质和所述第二增益介质被选择性地蚀刻的组合物。9.如权利要求6所述的显微镜系统，进一步包括：第三层，所述第三层位于所述第二层之上并由包括一种或多种无机材料的第三增益介质形成；第二间隔层，所述第二间隔层位于所述第二层与所述第三层之间；第四层，所述第四层位于所述第三层之上并由包括一种或多种无机材料的第四增益介质形成；以及第三间隔层，所述第三间隔层位于所述第三层与所述第四层之间。10.一种系统，包括：微粒，所述微粒由柱状结构形成，所述柱状结构包括：第一光学腔，所述第一光学腔围绕第一增益介质定位；第二光学腔，所述第二光学腔围绕第二增益介质定位；以及第一间隔区，所述第一间隔区接触所述第一增益介质和所述第二增益介质，其中，所述第一光学腔和所述第二光学腔在被能量激发时，各自能够生成具有不同光谱峰的激光。11.如权利要求10所述的系统，其中，以下中的至少一项：所述第一间隔区具有比所述第一光学腔和所述第二光学腔的横截面积更小的横截面积；所述第一间隔区的直径小于微盘的直径；所述第一增益介质与所述第二增益介质之间的所述第一间隔区的长度至少为150nm；所述第一间隔区包括允许所述第一间隔区相对于所述第一增益介质和所述第二增益介质被选择性地蚀刻的组合物；所述第一间隔区包括外延生长的半导体材料；所述第一间隔区由原始位于所述第一增益介质的层与所述第二增益介质的层之间的外延生长的层形成；所述柱状结构被附接于衬底层并从所述衬底层延伸；所述柱状结构的侧壁相对于所述衬底层的角度在70
°
与110
°
之间；所述柱状结构的平均直径大于0.5μm、小于3μm或在0.5μm与3μm之间；所述柱状结构的轴向长度小于5μm；或者所述第一光学腔和所述第二光学腔是被同心定位的半导体微盘。12.如权利要求10所述的系统，其中，以下中的至少一项：所述第一光学腔与所述第二光学腔生成不同的光谱峰；所述第一增益介质与所述第二增益介质具有不同的特定增益谱；所述第一增益介质和所述第二增益介质具有至少一个基本上不同的维度；或者所述第一光学腔与所述第二光学腔生成大致相同的光谱峰。13.如权利要求10所述的系统，其中，以下各项中的至少一项：所述不同的光谱峰具有小于0.5nm的线宽或者每个不同的光谱峰的波长大于0.4μm小于1.9μm或在0.4μm与1.9μm之
间。14.如权利要求10所述的系统，进一步包括：第三光学腔，所述第三光学腔围绕第三增益介质定位；以及第二间隔区，所述第二间隔区位于所述第二增益介质与所述第三增益介质之间。15.如权利要求10所述的系统，进一步包括至少封装所述第一光学腔、所述第一间隔区和所述第二光学腔的涂层，其中，所述涂层允许在不腐蚀所述第一光学腔、所述第一间隔区和所述第二光学腔的情况下湿式蚀刻所述柱状结构。16.如权利要求10所述的系统，其中，以下各项中的至少一项：所述第一光学腔和所述第二光学腔进一步包括有机材料或生物材料；或者所述第一增益介质和所述第二增益介质各自包括半导体材料。17.如权利要求10所述的系统，进一步包括：泵光源；光束扫描仪；光谱仪，所述光谱仪包括：小于5纳米的分辨率；以及超过1千赫兹的采集速率；光谱分析仪，所述光谱分析仪被配置成用于将激光输出的光谱峰与由于荧光引起的宽带背景进行区分；以及样本，所述样本包含所述微粒中的一种或多种。18.一种制造多个光子微粒的方法，所述方法包括：准备半导体晶片，所述半导体晶片包括：衬底层；第一层，所述第一层位于所述衬底层之上并由包括一种或多种无机材料的第一增益介质形成；第二层，所述第二层位于所述衬底层之上并由包括一种或多种无机材料的第二增益介质形成；第一间隔层，所述第一间隔层位于所述第一层与所述第二层之间；以及蚀刻所述第一层、所述第一间隔层和所述第二层以产生多个柱状结构，其中，所述柱状结构从所述衬底层延伸并且每个柱状结构包括围绕所述第一增益介质定位的第一光学腔、围绕所述第二增益介质定位的第二光学腔以及接触所述第一增益介质和所述第二增益介质的第一间隔区。19.如权利要求18所述的方法，进一步包括将所述第一光学腔以及所述第二光学腔与所述衬底层以及所述第一间隔层分开。20.如权利要求18所述的方法，其中，以下中的至少一项：所述第一光学腔和所述第二光学腔在被能量激发时，各自能够生成具有不同的光谱峰的激光；或者所述第一光学腔与所述第二光学腔生成不同的光谱峰。21.如权利要求18所述的方法，进一步包括以下中的至少一项：通过蚀刻工艺减小所述第一间隔区的体积，其中，所述第一间隔区仍然既接触所述第
一光学腔又接触所述第二光学腔；或者蚀刻所述第一间隔区以移除所述第一间隔区，从而从所述柱状结构释放至少所述第二光学腔。22.如权利要求18所述的方法，其中，以下中的至少一项：所述蚀刻包括执行湿式蚀刻技术以蚀刻所述第一间隔区；所述蚀刻包括对所述第一层、所述第一间隔层和所述第二层执行干式蚀刻；或者在所述衬底上外延形成所述第一层、所述第二层以及所述第一间隔层。23.如权利要求18所述的方法，进一步包括通过湿式蚀刻或机械搅动中的至少一种从所述衬底层移除所述柱状结构。24.如权利要求18所述的方法，其中，所述半导体晶片进一步包括：第三层，所述第三层位于所述第二层之上并由包括一种或多种无机材料的第三增益介质形成；第二间隔层，所述第二间隔层位于所述第二层与所述第三层之间；第四层，所述第四层位于所述第三层之上并由包括一种或多种无机材料的第四增益介质形成；第三间隔层，所述第三间隔层位于所述第三层与所述第四层之间；并且所述方法进一步包括：蚀刻所述第三层、所述第三间隔层和所述第四层以产生多个柱状结构，其中，所述柱状结构从所述第二间隔层延伸并且每个柱状结构包括围绕所述第三增益介质定位的第三光学腔、围绕所述第四增益介质定位的第四光学腔以及接触所述第三增益介质和所述第四增益介质的第三间隔区。25.如权利要求18所述的方法，进一步包括将涂层施加到所述柱状结构的至少一部分。26.如权利要求25所述的方法，其中，所述涂层是以下中的至少一项：以允许在基本上不腐蚀所述第一光学腔、所述第一间隔区和所述第二光学腔的情况下湿式蚀刻所述柱状结构的方式被施加；聚合物；或者SiO2。27.如权利要求18所述的方法，进一步包括在移除所述柱状结构之后重新使用所述衬底以准备新的半导体晶片，所述新的半导体晶片包括：所述衬底层；以及新的第一层，所述新的第一层位于所述衬底层之上并由包括一种或多种无机材料的第一增益介质形成。28.如权利要求27所述的方法，其中，所述新的半导体晶片进一步包括：新的第二层，所述新的第二层位于所述新的第一层之上并由包括一种或多种无机材料的第二增益介质形成；新的第一间隔层，所述新的第一间隔层位于所述新的第一层与所述新的第二层之间。29.如权利要求27所述的方法，进一步包括使用湿式蚀刻剂移除重新粘附到所述衬底的任何柱状结构的预备步骤。30.如权利要求18所述的方法，其中，以下中的至少一项：
以使得所述第一光学腔具有与所述第二光学腔不同的直径的方式来蚀刻所述柱状结构；蚀刻所述柱状结构包括施加H2O2浸入和H2SO4浸入或O2等离子体和H2SO4浸入的顺序步骤的数字蚀刻循环；或者以使得所述柱状结构的平均横截面直径或垂直角度跨所述衬底层有意变化的方式来蚀刻所述柱状结构。31.如权利要求18所述的方法，进一步包括：将所述半导体晶片接合到载体晶片；以及在蚀刻所述第一层、所述第一间隔层和所述第二层的方法步骤之前从接合的半导体晶片移除所述衬底层。32.一种在生物样本内发射激光的方法，所述方法包括：将一个或多个光子粒子放置在所述生物样本中，其中，所述光子粒子中的一个或多个包括：第一光学腔，所述第一光学腔围绕第一增益介质定位；第二光学腔，所述第二光学腔围绕第二增益介质定位；第一间隔区，所述第一间隔区既接触所述第一增益介质又接触所述第二增益介质；其中，所述第一光学腔和所述第二光学腔各自被配置成用于在被能量激发时生成具有不同的光谱峰的激光，并且由所述第一光学腔生成的光谱峰不同于由所述第二光学腔生成的光谱峰；以及能量地激发或刺激所述光子粒子以使所述光子粒子发射激光。33.一种制造多个光子微粒的方法，所述方法包括：准备半导体晶片，所述半导体晶片包括：衬底层；第一层，所述第一层位于所述衬底层之上并由包括一种或多种无机材料的第一增益介质形成；第二层，所述第二层位于所述第一层之上并由包括一种或多种无机材料的第二增益介质形成；第一间隔层，所述第一间隔层位于所述第一层与所述第二层之间；蚀刻所述第一层、所述第一间隔层和所述第二层以产生多个柱状结构，其中，所述柱状结构从所述衬底层延伸并且每个柱状结构包括围绕所述第一增益介质定位的第一光学腔、围绕所述第二增益介质定位的第二光学腔以及接触所述第一增益介质和所述第二增益介质的第一间隔区。34.如权利要求33所述的方法，其中，所述第一光学腔和所述第二光学腔在被能量激发时各自能够生成具有不同的光谱峰的激光。35.如权利要求34所述的方法，其中，所述第一光学腔与所述第二光学腔生成不同的光谱峰。36.如权利要求35所述的方法，其中，所述第一增益介质与所述第二增益介质具有不同的特定增益谱。37.如权利要求35所述的方法，其中，所述第一增益介质与所述第二增益介质具有至少
一个基本上不同的维度。38.如权利要求34所述的方法，其中，所述第一光学腔与所述第二光学腔生成大致相同的光谱峰。39.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一间隔区包括外延生长的半导体材料，所述外延生长的半导体材料具有允许所述第一间隔区相对于所述第一增益介质和所述第二增益介质被选择性地蚀刻的组合物。40.如前述权利要求中的任一项所述的方法，进一步包括：通过蚀刻工艺减小所述第一间隔区的体积，其中，所述第一间隔区仍然既接触所述第一光学腔又接触所述第二光学腔。41.如前述权利要求中的任一项所述的方法，进一步包括：蚀刻所述第一间隔区以移除所述第一间隔区，从而从所述柱状结构释放至少所述第二光学腔。42.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，湿式蚀刻技术被用于蚀刻所述第一间隔区。43.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一增益介质和所述第二增益介质包括外延生长的半导体材料。44.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，蚀刻所述第一层、所述第一间隔层和所述第二层的步骤是干式蚀刻步骤。45.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，准备所述半导体晶片的方法步骤包括在所述衬底上外延形成所述第一层、所述第二层和所述第一间隔层。46.如前述权利要求中的任一项所述的方法，进一步包括：从所述衬底层移除所述柱状结构。47.如权利要求46所述的方法，其中，湿式蚀刻剂被用于从所述衬底层移除所述柱状结构。48.如权利要求46所述的方法，其中，机械搅动被用于从所述衬底层移除所述柱状结构。49.如权利要求48所述的方法，其中，所述机械搅动包括超声处理。50.如权利要求46所述的方法，其中，所述柱状结构被直接释放到水基溶液中。51.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述半导体晶片进一步包括：第三层，所述第三层位于所述第二层之上并由包括一种或多种无机材料的第三增益介质形成；第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：SH，
申请(专利权)人：通用医疗公司，
类型：发明
国别省市：