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納米線傳感器來了,傳感芯片還會遠嗎

時間:2019-06-03 08:23來源:科學網 作者:辛雨
人工智能、可穿戴裝備、物聯網等信息技術迅猛發展,需要海量的傳感器提供支持,大數據和云計算等業務也需要各種傳感器實時采集數據來支撐。
  “無旁路電路”納米線橋接生長方案 黃輝供圖
  微型氣體檢測儀 黃輝供圖
  人工智能、可穿戴裝備、物聯網等信息技術迅猛發展,需要海量的傳感器提供支持,大數據和云計算等業務也需要各種傳感器實時采集數據來支撐。但目前的傳感器存在國產化低、產品偏低端、技術創新薄弱、生產工藝落后等問題。
  日前,大連理工大學電子科學與技術學院教授黃輝團隊發明了無漏電流“納米線橋接生長技術”,解決了納米線器件的排列組裝、電極接觸及材料穩定性問題,研制出高可靠性、低功耗及高靈敏度的GaN納米線氣體傳感器,該傳感器可推廣至生物檢測以及應力應變檢測等,相關研究成果發表于《納米快報》。
  微納傳感有個“坎”
  近年來,半導體集成電路芯片(IC)發展迅猛,推動物聯網和人工智能產業興起。“如果把IC比作人的大腦(處理信息),傳感器則相當于人的感知器官(獲取信息)”黃輝告訴《中國科學報》,“IC和傳感器相互依存。”
  然而,傳感器、特別是微納傳感器的發展速度,遠遠滯后于IC的發展水平。黃輝認為,微納傳感器、傳感芯片將是繼IC產業之后的另一重大產業。
  黃輝介紹,目前廣泛應用的最小的傳感器是MEMS傳感器。
  MEMS傳感器(微機電系統)是采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。其內部結構一般在微米甚至納米量級,是一個獨立的智能系統。與傳統的傳感器相比,它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產、易于集成和實現智能化的特點。同時,在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統機械傳感器所不能實現的功能。
  “而與MEMS器件相比,半導體納米線的尺度縮小了1000倍,面積縮小100萬倍。因此,納米線是最小的器件,也是微納傳感器的理想選擇。”黃輝說。
  相較于傳統體材料和薄膜材料,半導體納米線具有許多獨特優勢:大的比表面積可以提高器件的靈敏度,易于形變可以提升材料的集成能力,納米級的導光和導電通道可以制作單根納米線光子器件。此外,納米線優異的機械性能以及靈活多樣的結構,使其具有較好的柔韌性,且可形成芯包層和交叉網格結構。
  但是,納米線器件的實用化還面臨一系列問題。北京郵電大學電子工程學院教授忻向軍向《中國科學報》介紹,納米線的材料生長和器件制備是分開的,需要進行剝離、轉移、排列定位、以及鍍膜等步驟,工藝復雜而且會損傷和污染納米線。
  此外,納米線難于操控,很難對其進行排列定位。“而且納米線與金屬電極的接觸面積非常小,因此,電極接觸電阻很大,比納米線自身的電阻高出近兩個數量級。” 忻向軍說。
  納米線傳感器“長”出來了
  為解決納米線排列定位難、電極接觸面積小等一系列問題,2004年,惠普公司與加州大學合作發明了一種“納米線橋接生長技術”。通過在SOI襯底上刻蝕凹槽,納米線從凹槽一側開始生長并與另一側對接,從而可以在凹槽側邊臺面上制備金屬電極。
  黃輝表示,這種通過“生長”使納米線和側壁融為一體的方案,避免了在納米線表面制備金屬電極,使電極接觸電阻降低了兩個數量級、噪聲降低了三個數量級。此外,無需排列定位納米線,簡化了制備工藝,消除了納米線的表面污染和損傷。
  然而,惠普公司納米線橋接生長方案并未獲得推廣。因該方法納米線在生長過程中,通常會在凹槽底部沉積一層多晶膜(寄生沉積層),該寄生沉積層會產生較大旁路電流,極大劣化納米線器件的性能。
  為此,黃輝團隊首次研究了納米線橋接生長中的寄生沉積效應,發明了一種橋接生長方法,結合氣流遮擋效應與表面鈍化效應,解決寄生沉積問題。研究人員采用新的刻槽方案和凹槽結構,避免凹槽底部的材料沉積,實現納米線的橋接生長。
  黃輝告訴記者:“采用GaN緩沖層,通過調節納米線的生長條件,如氣流、催化劑、溫度梯度等,可改變納米線生長位置、方向、直徑以及長度,從GaN納米線、納米針至微米柱,實現納米線的可控生長。”
  據悉,GaN材料是第三代半導體,具有優異的穩定性和生物兼容性,可耐高溫、抗氧化、耐酸堿腐蝕,適用于嚴酷環境下液體和氣體樣品的檢測。“實驗證明氫氟酸環境下腐蝕48小時,未對GaN納米線電阻產生影響,其應用領域非常廣泛。”黃輝說。
  在此基礎上,團隊研制出了集成納米線氣體傳感器——GaN納米線氣體傳感器。經檢測,該傳感器可在室溫下工作,8個月電阻變化率<0.8%,且NO2檢測限為0.5ppb,具有高穩定性、低功耗以及高靈敏度等特點。
  忻向軍表示,該技術首次實現了“無漏電流”GaN橋接納米線,研制出的GaN納米線氣體傳感器將推動傳感芯片的發展。
  傳感芯片即將到來
  微納傳感器屬于顛覆性技術,蘊含巨大的創新與市場空間。近年來,微納傳感器已成為政府及社會資金投資的熱點領域之一。“微鈉傳感器與物聯網、5G的發展關系密切,在手機、汽車、醫療和消費領域得到廣泛應用,它的發展形勢一片大好。”忻向軍說。
  美國密歇根大學電子和計算機工程系系主任表示,以前傳感器需要三大組件:電子器件、無線組網系統、無線網絡系統。未來,傳感器和傳感器應用將無處不在,當它們組合成網絡后,便可以通過微納傳感器,在很小的環境中達成更好的傳感器網絡。
  “可能僅僅1毫米就可以裝載數百萬個傳感器,這樣的設備能夠提供非常微型的芯片,能夠非常準時、及時、準確地監測數據,這將幫助我們在當前不同的能源系統、電能系統中發揮作用。”Khalil Najaf說。
  黃輝表示,團隊下一步將著力研制功耗更低、體積更小的GaN納米線氣體傳感器,并嘗試做成傳感芯片。“最理想的情況是與集成電路芯片做在一起,感知、控制、處理信號完美結合,能得到更廣泛的應用。”
  對此,忻向軍指出,傳感芯片具有很好的發展前景和巨大潛力,值得研發推廣。同時他建議,傳感芯片技術一旦成熟,應迅速與行業內專業人士合作推廣,搶占先機。



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