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(shù)據(jù)和云計算等業(yè)務(wù)也需要各種傳感器實時采集數(shù)據(jù)來支撐。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)工藝落后等問題。

日前，大連理工大學電子科學與技術(shù)學院教授黃輝團隊發(fā)明了無漏電流“納米線橋接生長技術(shù)”，解決了納米線器件的排列組裝、電極接觸及材料穩(wěn)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(yīng)力應(yīng)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“坎”

近年來，半導(dǎo)體集成電路芯片(IC)發(fā)展迅猛，推動物聯(lián)網(wǎng)和人工智能產(chǎn)業(yè)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(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(yīng)用的最小的傳感器是MEMS傳感器。

MEMS(微機電系統(tǒng))傳感器是采用微電子和微機械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級，是一個獨立的智能系統(tǒng)。與傳統(tǒng)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)、易于集成和實現(xiàn)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(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。

“而與MEMS器件相比，半導(dǎo)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(tǒng)體材料和薄膜材料，半導(dǎo)體納米線具有許多獨特優(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(dǎo)光和導(dǎo)電通道可以制作單根納米線光子器件。此外，納米線優(yōu)異的機械性能以及靈活多樣的結(jié)構(gòu)，使其具有較好的柔韌性，且可形成芯包層和交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

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(zhuǎn)移、排列定位、以及鍍膜等步驟，工藝復(fù)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(shù)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(fā)明了一種“納米線橋接生長技術(shù)”。通過在SOI襯底上刻蝕凹槽，納米線從凹槽一側(cè)開始生長并與另一側(cè)對接，從而可以在凹槽側(cè)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(cè)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(shù)量級、噪聲降低了三個數(shù)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(chǎn)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(yīng)，發(fā)明了一種橋接生長方法，結(jié)合氣流遮擋效應(yīng)與表面鈍化效應(yīng)，解決寄生沉積問題。研究人員采用新的刻槽方案和凹槽結(jié)構(gòu)，避免凹槽底部的材料沉積，實現(xiàn)納米線的橋接生長。

黃輝告訴記者：“采用GaN緩沖層，通過調(diào)節(jié)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(xiàn)納米線的可控生長。”

據(jù)悉，GaN材料是第三代半導(dǎo)體，具有優(yōu)異的穩(wěn)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。“實驗證明氫氟酸環(huán)境下腐蝕48小時，未對GaN納米線電阻產(chǎn)生影響，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。”黃輝說。

在此基礎(chǔ)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(jīng)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(wěn)定性、低功耗以及高靈敏度等特點。

忻向軍表示，該技術(shù)首次實現(xiàn)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(fā)展。

傳感芯片即將到來

微納傳感器屬于顛覆性技術(shù)，蘊含巨大的創(chuàng)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(lǐng)域之一。“微鈉傳感器與物聯(lián)網(wǎng)、5G的發(fā)展關(guān)系密切，在手機、汽車、醫(yī)療和消費領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，它的發(fā)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(wǎng)系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。未來，傳感器和傳感器應(yīng)用將無處不在，當它們組合成網(wǎng)絡(luò)后，便可以通過微納傳感器，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(shù)百萬個傳感器，這樣的設(shè)備能夠提供非常微型的芯片，能夠非常準時、及時、準確地監(jiān)測數(shù)據(jù)，這將幫助我們在當前不同的能源系統(tǒng)、電能系統(tǒng)中發(fā)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(jié)合，能得到更廣泛的應(yīng)用。”

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。同時他建議，傳感芯片技術(shù)一旦成熟，應(yīng)迅速與行業(yè)內(nèi)專業(yè)人士合作推廣，搶占先機。