大連理工研制出新型GaN發(fā)表納米線氣體傳感器

Nano Letters近期發(fā)布了大連理工大學(xué)黃輝團(tuán)隊(duì)發(fā)明的無(wú)漏電流“納米線橋接生長(zhǎng)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(wèn)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(cè)以及應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)等。

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(dú)特優(yōu)勢(shì)。但是，納米線器件的實(shí)用化還面臨一系列問(wèn)題，納米線難于操控，排列定位難，電極接觸面積非常小，造成電極接觸電阻很大，比納米線自身的電阻高出近兩個(gè)數(shù)量級(jí)等等。

為解決這些問(wèn)題，2004年，惠普公司與加州大學(xué)合作發(fā)明了一種“納米線橋接生長(zhǎng)技術(shù)”。通過(guò)在SOI襯底上刻蝕凹槽，納米線從凹槽一側(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。然而，因該方法納米線在生長(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，極大劣化納米線器件的性能，所以并未推廣。

為此，黃輝團(tuán)隊(duì)首次研究了納米線橋接生長(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)納米線的橋接生長(zhǎng)。

黃輝介紹說(shuō)，“采用GaN緩沖層，通過(guò)調(diào)節(jié)納米線的生長(zhǎng)條件，如氣流、催化劑、溫度梯度等，可改變納米線生長(zhǎng)位置、方向、直徑以及長(zhǎng)度，從GaN納米線、納米針至微米柱，實(shí)現(xiàn)納米線的可控生長(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48h，未對(duì)GaN納米線電阻產(chǎn)生影響，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)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(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)。

該技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了“無(wú)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(dòng)傳感芯片的發(fā)展。團(tuán)隊(duì)下一步將著力研制功耗更低、體積更小的GaN納米線氣體傳感器，并嘗試做成傳感芯片，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。