中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
人工智能、可穿戴裝備、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)迅猛發(fā)展，需要海量的傳感器提供支持，大數據和云計算等業(yè)務(wù)也需要各種傳感器實(shí)時(shí)采集數據來(lái)支撐。但目前的傳感器存在國產(chǎn)化低、產(chǎn)品偏低端、技術(shù)創(chuàng )新薄弱、生產(chǎn)工藝落后等問(wèn)題。
日前，大連理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授黃輝團隊發(fā)明了無(wú)漏電流“納米線(xiàn)橋接生長(cháng)技術(shù)”，解決了納米線(xiàn)器件的排列組裝、電極接觸及材料穩定性問(wèn)題，研制出高可靠性、低功耗及高靈敏度的GaN納米線(xiàn)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(guān)研究成果發(fā)表于《納米快報》。
微納傳感有個(gè)“坎”
近年來(lái)，半導體集成電路芯片（IC）發(fā)展迅猛，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)和人工智能產(chǎn)業(yè)興起?！叭绻袸C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(xué)報》，“IC和傳感器相互依存?！?br/>然而，傳感器、特別是微納傳感器的發(fā)展速度，遠遠滯后于IC的發(fā)展水平。黃輝認為，微納傳感器、傳感芯片將是繼IC產(chǎn)業(yè)之后的另一重大產(chǎn)業(yè)。
黃輝介紹，目前廣泛應用的最小的傳感器是MEMS傳感器。
MEMS（微機電系統）傳感器是采用微電子和微機械加工技術(shù)制造出來(lái)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(gè)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(chǎn)、易于集成和實(shí)現智能化的特點(diǎn)。同時(shí)，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(shí)現的功能。
“而與MEMS器件相比，半導體納米線(xiàn)的尺度縮小了1000倍，面積縮小100萬(wàn)倍。因此，納米線(xiàn)是最小的器件，也是微納傳感器的理想選擇?！秉S輝說(shuō)。
相較于傳統體材料和薄膜材料，半導體納米線(xiàn)具有許多獨特優(yōu)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(xiàn)光子器件。此外，納米線(xiàn)優(yōu)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(wǎng)格結構。
但是，納米線(xiàn)器件的實(shí)用化還面臨一系列問(wèn)題。北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院教授忻向軍向《中國科學(xué)報》介紹，納米線(xiàn)的材料生長(cháng)和器件制備是分開(kāi)的，需要進(jìn)行剝離、轉移、排列定位、以及鍍膜等步驟，工藝復雜而且會(huì )損傷和污染納米線(xiàn)。
此外，納米線(xiàn)難于操控，很難對其進(jìn)行排列定位?！岸壹{米線(xiàn)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(xiàn)自身的電阻高出近兩個(gè)數量級?！?nbsp;忻向軍說(shuō)。
納米線(xiàn)傳感器“長(cháng)”出來(lái)了
為解決納米線(xiàn)排列定位難、電極接觸面積小等一系列問(wèn)題，2004年，惠普公司與加州大學(xué)合作發(fā)明了一種“納米線(xiàn)橋接生長(cháng)技術(shù)”。通過(guò)在SOI襯底上刻蝕凹槽，納米線(xiàn)從凹槽一側開(kāi)始生長(cháng)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(guò)“生長(cháng)”使納米線(xiàn)和側壁融為一體的方案，避免了在納米線(xiàn)表面制備金屬電極，使電極接觸電阻降低了兩個(gè)數量級、噪聲降低了三個(gè)數量級。此外，無(wú)需排列定位納米線(xiàn)，簡(jiǎn)化了制備工藝，消除了納米線(xiàn)的表面污染和損傷。
然而，惠普公司納米線(xiàn)橋接生長(cháng)方案并未獲得推廣。因該方法納米線(xiàn)在生長(cháng)過(guò)程中，通常會(huì )在凹槽底部沉積一層多晶膜（寄生沉積層），該寄生沉積層會(huì )產(chǎn)生較大旁路電流，極大劣化納米線(xiàn)器件的性能。
為此，黃輝團隊首次研究了納米線(xiàn)橋接生長(cháng)中的寄生沉積效應，發(fā)明了一種橋接生長(cháng)方法，結合氣流遮擋效應與表面鈍化效應，解決寄生沉積問(wèn)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(shí)現納米線(xiàn)的橋接生長(cháng)。
黃輝告訴記者：“采用GaN緩沖層，通過(guò)調節納米線(xiàn)的生長(cháng)條件，如氣流、催化劑、溫度梯度等，可改變納米線(xiàn)生長(cháng)位置、方向、直徑以及長(cháng)度，從GaN納米線(xiàn)、納米針至微米柱，實(shí)現納米線(xiàn)的可控生長(cháng)?！?br/>據悉，GaN材料是第三代半導體，具有優(yōu)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(huán)境下液體和氣體樣品的檢測?！皩?shí)驗證明氫氟酸環(huán)境下腐蝕48小時(shí)，未對GaN納米線(xiàn)電阻產(chǎn)生影響，其應用領(lǐng)域非常廣泛?！秉S輝說(shuō)。
在此基礎上，團隊研制出了集成納米線(xiàn)氣體傳感器——GaN納米線(xiàn)氣體傳感器。經(jīng)檢測，該傳感器可在室溫下工作，8個(gè)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(diǎn)。
忻向軍表示，該技術(shù)首次實(shí)現了“無(wú)漏電流”GaN橋接納米線(xiàn)，研制出的GaN納米線(xiàn)氣體傳感器將推動(dòng)傳感芯片的發(fā)展。
傳感芯片即將到來(lái)
微納傳感器屬于顛覆性技術(shù)，蘊含巨大的創(chuàng )新與市場(chǎng)空間。近年來(lái)，微納傳感器已成為政府及社會(huì )資金投資的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一?！拔⑩c傳感器與物聯(lián)網(wǎng)、5G的發(fā)展關(guān)系密切，在手機、汽車(chē)、醫療和消費領(lǐng)域得到廣泛應用，它的發(fā)展形勢一片大好?！毙孟蜍娬f(shuō)。
美國密歇根大學(xué)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(wú)線(xiàn)組網(wǎng)系統、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統。未來(lái)，傳感器和傳感器應用將無(wú)處不在，當它們組合成網(wǎng)絡(luò )后，便可以通過(guò)微納傳感器，在很小的環(huán)境中達成更好的傳感器網(wǎng)絡(luò )。
“可能僅僅1毫米就可以裝載數百萬(wàn)個(gè)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(shí)、及時(shí)、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(fā)揮作用?！盞halil Najaf說(shuō)。
黃輝表示，團隊下一步將著(zhù)力研制功耗更低、體積更小的GaN納米線(xiàn)氣體傳感器，并嘗試做成傳感芯片?！白罾硐氲那闆r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?！?br/>對此，忻向軍指出，傳感芯片具有很好的發(fā)展前景和巨大潛力，值得研發(fā)推廣。同時(shí)他建議，傳感芯片技術(shù)一旦成熟，應迅速與行業(yè)內專(zhuān)業(yè)人士合作推廣，搶占先機。
