“无旁路电路”纳米线桥接生长方案 黄辉供图
微型气体检测仪 黄辉供图
人工智能、可穿戴装备、物联网等信息技术迅猛发展，需要海量的传感器提供支持，大数据和云计算等业务也需要各种传感器实时采集数据来支撑。但目前的传感器存在国产化低、产品偏低端、技术创新薄弱、生产工艺落后等问题。
日前，大连理工大学电子科学与技术学院教授黄辉团队发明了无漏电流“纳米线桥接生长技术”，解决了纳米线器件的排列组装、电极接触及材料稳定性问题，研制出高可靠性、低功耗及高灵敏度的GaN纳米线气体传感器，该传感器可推广至生物检测以及应力应变检测等，相关研究成果发表于《纳米快报》。
微纳传感有个“坎”
近年来，半导体集成电路芯片（IC）发展迅猛，推动物联网和人工智能产业兴起。“如果把IC比作人的大脑（处理信息），传感器则相当于人的感知器官（获取信息）”黄辉告诉《中国科学报》，“IC和传感器相互依存。”
然而，传感器、特别是微纳传感器的发展速度，远远滞后于IC的发展水平。黄辉认为，微纳传感器、传感芯片将是继IC产业之后的另一重大产业。
黄辉介绍，目前广泛应用的最小的传感器是MEMS传感器。
MEMS传感器（微机电系统）是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。
“而与MEMS器件相比，半导体纳米线的尺度缩小了1000倍，面积缩小100万倍。因此，纳米线是最小的器件，也是微纳传感器的理想选择。”黄辉说。
相较于传统体材料和薄膜材料，半导体纳米线具有许多独特优势：大的比表面积可以提高器件的灵敏度，易于形变可以提升材料的集成能力，纳米级的导光和导电通道可以制作单根纳米线光子器件。此外，纳米线优异的机械性能以及灵活多样的结构，使其具有较好的柔韧性，且可形成芯包层和交叉网格结构。
但是，纳米线器件的实用化还面临一系列问题。北京邮电大学电子工程学院教授忻向军向《中国科学报》介绍，纳米线的材料生长和器件制备是分开的，需要进行剥离、转移、排列定位、以及镀膜等步骤，工艺复杂而且会损伤和污染纳米线。
此外，纳米线难于操控，很难对其进行排列定位。“而且纳米线与金属电极的接触面积非常小，因此，电极接触电阻很大，比纳米线自身的电阻高出近两个数量级。” 忻向军说。
纳米线传感器“长”出来了
为解决纳米线排列定位难、电极接触面积小等一系列问题，2004年，惠普公司与加州大学合作发明了一种“纳米线桥接生长技术”。通过在SOI衬底上刻蚀凹槽，纳米线从凹槽一侧开始生长并与另一侧对接，从而可以在凹槽侧边台面上制备金属电极。
黄辉表示，这种通过“生长”使纳米线和侧壁融为一体的方案，避免了在纳米线表面制备金属电极，使电极接触电阻降低了两个数量级、噪声降低了三个数量级。此外，无需排列定位纳米线，简化了制备工艺，消除了纳米线的表面污染和损伤。
然而，惠普公司纳米线桥接生长方案并未获得推广。因该方法纳米线在生长过程中，通常会在凹槽底部沉积一层多晶膜（寄生沉积层），该寄生沉积层会产生较大旁路电流，极大劣化纳米线器件的性能。
为此，黄辉团队首次研究了纳米线桥接生长中的寄生沉积效应，发明了一种桥接生长方法，结合气流遮挡效应与表面钝化效应，解决寄生沉积问题。研究人员采用新的刻槽方案和凹槽结构，避免凹槽底部的材料沉积，实现纳米线的桥接生长。
黄辉告诉记者：“采用GaN缓冲层，通过调节纳米线的生长条件，如气流、催化剂、温度梯度等，可改变纳米线生长位置、方向、直径以及长度，从GaN纳米线、纳米针至微米柱，实现纳米线的可控生长。”
据悉，GaN材料是第三代半导体，具有优异的稳定性和生物兼容性，可耐高温、抗氧化、耐酸碱腐蚀，适用于严酷环境下液体和气体样品的检测。“实验证明氢氟酸环境下腐蚀48小时，未对GaN纳米线电阻产生影响，其应用领域非常广泛。”黄辉说。
在此基础上，团队研制出了集成纳米线气体传感器——GaN纳米线气体传感器。经检测，该传感器可在室温下工作，8个月电阻变化率<0.8%，且NO2检测限为0.5ppb，具有高稳定性、低功耗以及高灵敏度等特点。
忻向军表示，该技术首次实现了“无漏电流”GaN桥接纳米线，研制出的GaN纳米线气体传感器将推动传感芯片的发展。
传感芯片即将到来
微纳传感器属于颠覆性技术，蕴含巨大的创新与市场空间。近年来，微纳传感器已成为政府及社会资金投资的热点领域之一。“微钠传感器与物联网、5G的发展关系密切，在手机、汽车、医疗和消费领域得到广泛应用，它的发展形势一片大好。”忻向军说。
美国密歇根大学电子和计算机工程系系主任表示，以前传感器需要三大组件：电子器件、无线组网系统、无线网络系统。未来，传感器和传感器应用将无处不在，当它们组合成网络后，便可以通过微纳传感器，在很小的环境中达成更好的传感器网络。
“可能仅仅1毫米就可以装载数百万个传感器，这样的设备能够提供非常微型的芯片，能够非常准时、及时、准确地监测数据，这将帮助我们在当前不同的能源系统、电能系统中发挥作用。”Khalil Najaf说。
黄辉表示，团队下一步将着力研制功耗更低、体积更小的GaN纳米线气体传感器，并尝试做成传感芯片。“最理想的情况是与集成电路芯片做在一起，感知、控制、处理信号完美结合，能得到更广泛的应用。”
对此，忻向军指出，传感芯片具有很好的发展前景和巨大潜力，值得研发推广。同时他建议，传感芯片技术一旦成熟，应迅速与行业内专业人士合作推广，抢占先机。
相关论文信息：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b04846
