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郭方敏教授和光谱仪样机
科技的日新月异，推动着智能生活的发展，半导体领域对社会的发展和影响日益加深。在“2025中国制造”的宏伟目标中，半导体产业的发展成为中国制造的关键领域。
身兼科研与教学并重的郭方敏教授，长期工作在本科生和研究生专业知识教学第一线，引领学生在半导体器件物理、微纳光机电系统和弱信号读出电路设计等多方面开展研究。多年来，郭方敏教授脚踏实地，不断深入探索，在光电探测阵列、太赫兹量子阱探测器、以及高灵敏度光电传感器的元器件设计与研发领域取得了丰硕的成果。
深入研究 新原理光电探测阵列的微光响应测试
近年来，中国的半导体领域得到了长足的发展，应用领域不断拓展，其中光电探测器，尤其是探测极微弱的光信号在医疗、生物分子科学、环境监测等领域得到进一步的开发和应用。然而 PIN 等光电探测二极管由于自身的结构所致在微光下具有较差的灵敏度导致不能探测微光，高灵敏度的雪崩二极管工作偏压又比较高。新原理光电探测器应运而生，它不同于硅基CCD 和CMOS 器件工作原理，采用n-i-n型光探测器，其中插入InGaAs/GaAs/AlAs 量子点-量子阱结构，通过调节化合物半导体材料体系的组分、掺杂浓度、阱宽和垒高，可以设计出不同响应波长的光电探测器 。
沉浸于该领域多年的郭方敏教授，在国家重点基础研究计划课题（2006CB932800，2011CB932900）项目首席的指导下，带领团队深入挖掘和研究，设计和加工了增益可调CTIA读出电路，获得宽动态范围读出。读出电路芯片与1×64元量子效应光电探测器集成封装，在室温（300K）条件下进行读出测试研究。光源采用400nm－900白光可调节光源，直径50μm光斑聚焦照射。其中，第一级是像素级，1×64元新原理光电探测器阵列；器件阵列与电路对接后连接到第二级CTIA积分输出级；第三级是采样保持电路相关双采样（CDS）技术；第四级是缓冲输出级。CTIA单元由一个高增益的反相输入运算放大器和两个或多个积分反馈电容组成，用来进行光响应电流积分。为了抑制读出过程器件与采样系统产生的热噪声、1/f噪声、暗电流噪声和背景噪声电流，采样保持电路使用相关双采样结构。
读出电路是光电探测阵列和后续信号处理电路之间的接口电路，可以将探测到的微弱电流、电压或电阻变化转换成后续信号处理电路可以处理的电信号。针对新原理量子效应光电探测器的高灵敏度特性，采用CTIA-CDS读出结构进行的增益可调设计，通过与新型探测阵列对接，在常温条件下，研究激光功率从pW~mW变化，新原理探测器阵列暗电流随偏压变化输出，通过滑动变阻器电阻改进测试系统，获得了明显降低暗电流的读出响应输出。
在获得相应的数据后，郭方敏教授团队继续测试低温时的I-V性能和暗电流数据，通过大量的综合数据，确定新原理探测器阵列的微光读出特性，提高数据采集精度，获得更精确、灵敏的微光读出响应。
创新探索 太赫兹量子阱探测器的暗电流抑制电路
科研像一座迷宫，每一次转折都会带来新的思考。郭方敏教授的研究就是在不断思考中推进的。
2004年，太赫兹量子阱探测器首次被研制出来，它具有响应频谱较窄以及响应速度快等特点，是未来太赫兹应用中的重要探测器之一。THz QWP由于多量子阱的势垒高度一般小于40meV，而由热发射导致的暗电流大于中红外波段的QWP，降低信号电流读出的灵敏度。因此对于THz QWP来说，在其信号读出电路中建立暗电流抑制模块对提高读出电路的性能具有重要作用。
在中科院微系统所曹教授的提议下，郭方敏教授带领其研究生团队对太赫兹量子阱探测器读出电路中的暗电流抑制模块进行深入研究。从理论上分析了太赫兹量子阱探测器产生暗电流和光电流的原理。但由于太赫兹量子阱探测器中电子输运行为非常复杂，难以通过理论推导建立精确等效电路模型的解析表达式。于是，郭方敏教授通过对太赫兹量子阱探测器的电流电压实验数据进行拟合，提出压控电流源等效电路模型。并利用此模型设计读出电路信号源及暗电流抑制模块，结合读出电路进行仿真，验证电路模型的准确性。
通过数据分析，得出压控电流源电路模型能够在器件工作偏压变化时对其暗电流进行精确抑制，提高读出电路性能的结论，可以提升了太赫兹量子阱探测器读出电路的暗电流抑制模块的工作性能。
突破技术 高灵敏度光电传感器芯片及其便携式嵌入式光谱仪
国防是一个国家最重要的屏障，没有安全的发展环境，所有的经济成果都将是空中楼阁。而研究高灵敏光电传感器是国家不断提升全空无源探测预警系统中涉及国家安全的战略高技术迫切需求的发展方向。为此，郭方敏教授带领其团队围绕光电传感器和读出电路设计技术，融合国际最新成果，自主开发高灵敏度、便携、嵌入式光谱仪的设计、加工和测试成套工艺，可服务于航天遥感遥测、地质矿藏勘探、生物医学和环境监测。
郭方敏教授团队标定出极弱光下高量子倍增效率和较宽探测波段（420nm－950nm）的新原理光电探测器的光电响应特性：300K条件下，探测率为2.73A/W，量子效率达到或超过534.79%。提取器件本征特性参数，研究建立低维量子结构光电器件等效电路模型。针对设计增益可调电容跨阻放大器（CTIA）等读出电路芯片，双面封装设计，获得64元新原理探测阵列。室温条件下，633nm激光强度0.01pW，光斑直径10μm，积分时间80.2us，读出电压响应率5.8E+11V/W。
2011年与上海复享合作讨论设计以两个64元高灵敏度光电探测器线阵为核心部件，1分2石英光纤分别采集350～675nm和675～1000nm两个波段的光谱信号，构成微型光谱仪方案。2012年与上海广照联合制造了128 元微型光谱仪样机，并展示于2012年上海工业博览会。并在此基础上进一步设计Cortex-M4微控制器组合STM32F407主控芯片（含MCU）和液晶显示，Wi–Fi无线网络接口及PC软件完成数据处理、滤波、光谱显示及人机交互等多项技术为一体嵌入式/便携式高灵敏度光谱仪样机。
大量测试表明：高灵敏度光电传感器微型光谱仪结合显微超光谱成像系统，荧光和微区光谱实验分别证明新原理探测器光谱仪比进口的海洋光学的科研级光谱仪和NOVA光谱仪灵敏度更高，特别是在700～900nm波段，有极强的灵敏度。
正是他们兢兢业业的付出，让中国的经济得到了腾飞的翅膀，而郭方敏教授作为其中的一员，一直坚定不移的履行着科研工作者的使命和责任。
在科研道路上，郭方敏教授一路前行，无论前面有多少荆棘，她总能用自己的智慧，走出一条不断创新的探索之路，从事科研工作多年，郭方敏教授不断推出极具应用价值的科研成果，为中国半导体行业的发展做出了突出贡献。
