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(jì)算等業(yè)務(wù)也需要各種傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)來(lái)支撐。但目前的傳感器存在國(guó)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(tuán)隊(duì)發(fā)明了無(wú)漏電流“納米線(xiàn)橋接生長(zhǎng)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(wěn)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(cè)以及應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)等，相關(guān)研究成果發(fā)表于《納米快報(bào)》。

微納傳感有個(gè)“坎”

近年來(lái)，半導(dǎo)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。“如果把IC比作人的大腦(處理信息)，傳感器則相當(dāng)于人的感知器官(獲取信息)”黃輝告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“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(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于IC的發(fā)展水平。黃輝認(rèn)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(jī)電系統(tǒng))傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來(lái)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(jí)，是一個(gè)獨(dú)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(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。同時(shí)，在微米量級(jí)的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。

“而與MEMS器件相比，半導(dǎo)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。”黃輝說(shuō)。

相較于傳統(tǒng)體材料和薄膜材料，半導(dǎo)體納米線(xiàn)具有許多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：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(jí)的導(dǎo)光和導(dǎo)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(jī)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(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(guó)科學(xué)報(bào)》介紹，納米線(xiàn)的材料生長(zhǎng)和器件制備是分開(kāi)的，需要進(jìn)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(huì)損傷和污染納米線(xiàn)。

此外，納米線(xiàn)難于操控，很難對(duì)其進(jìn)行排列定位。“而且納米線(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(shù)量級(jí)。” 忻向軍說(shuō)。

納米線(xiàn)傳感器“長(zhǎng)”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(zhǎng)技術(shù)”。通過(guò)在SOI襯底上刻蝕凹槽，納米線(xiàn)從凹槽一側(cè)開(kāi)始生長(zhǎng)并與另一側(cè)對(duì)接，從而可以在凹槽側(cè)邊臺(tái)面上制備金屬電極。

黃輝表示，這種通過(guò)“生長(zhǎng)”使納米線(xiàn)和側(cè)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(shù)量級(jí)、噪聲降低了三個(gè)數(shù)量級(jí)。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(zhǎng)方案并未獲得推廣。因該方法納米線(xiàn)在生長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)首次研究了納米線(xiàn)橋接生長(zhǎng)中的寄生沉積效應(yīng)，發(fā)明了一種橋接生長(zhǎng)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(wèn)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(shí)現(xiàn)納米線(xiàn)的橋接生長(zhǎng)。

黃輝告訴記者：“采用GaN緩沖層，通過(guò)調(diào)節(jié)納米線(xiàn)的生長(zhǎng)條件，如氣流、催化劑、溫度梯度等，可改變納米線(xiàn)生長(zhǎng)位置、方向、直徑以及長(zhǎng)度，從GaN納米線(xiàn)、納米針至微米柱，實(shí)現(xiàn)納米線(xiàn)的可控生長(zhǎng)。”

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(yán)酷環(huán)境下液體和氣體樣品的檢測(cè)。“實(shí)驗(yàn)證明氫氟酸環(huán)境下腐蝕48小時(shí)，未對(duì)GaN納米線(xiàn)電阻產(chǎn)生影響，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。”黃輝說(shuō)。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)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(cè)，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(cè)限為0.5ppb，具有高穩(wěn)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(xiàn)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(yùn)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。“微鈉傳感器與物聯(lián)網(wǎng)、5G的發(fā)展關(guān)系密切，在手機(jī)、汽車(chē)、醫(yī)療和消費(fèi)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，它的發(fā)展形勢(shì)一片大好。”忻向軍說(shuō)。

美國(guó)密歇根大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)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(tǒng)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。未來(lái)，傳感器和傳感器應(yīng)用將無(wú)處不在，當(dāng)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(dá)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(wàn)個(gè)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(zhǔn)時(shí)、及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這將幫助我們?cè)诋?dāng)前不同的能源系統(tǒng)、電能系統(tǒng)中發(fā)揮作用。”Khalil Najaf說(shuō)。

黃輝表示，團(tuán)隊(duì)下一步將著力研制功耗更低、體積更小的GaN納米線(xiàn)氣體傳感器，并嘗試做成傳感芯片。“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(hào)完美結(jié)合，能得到更廣泛的應(yīng)用。”

對(duì)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(yīng)迅速與行業(yè)內(nèi)專(zhuān)業(yè)人士合作推廣，搶占先機(jī)。