纳米 传感器 纳米线传感器来了，传感芯片还会远吗

纳米线传感器来了，传感芯片还会远吗

“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》。

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。（辛雨）

相关论文信息： https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b04846

北大团队造出90nm碳纳米管晶体管，相关氢气传感器产品已经上市

近日，北京大学彭练矛院士/张志勇教授团队造出一款基于阵列碳纳米管的 90nm 碳纳米管晶体管，具备可以高度集成的能力。

图 | 张志勇（来源：张志勇）

这意味着在 90nm 及以下技术节点的数字集成电路中，碳纳米管半导体具备一定的应用潜力，同时这也为进一步探索全碳基集成电路提供了深入见解。

对于相关论文审稿人评价称：“研究人员展示了面积小于 1 平方微米的 6 管 SRAM 单元，是新型集成电路技术的里程碑。 ”

研究中，通过利用该团队此前研发的碳纳米管阵列薄膜，以及借助缩减晶体管栅长和源漏接触长度的手段，课题组制备出栅间距（CGP， contacted gate pitch）为 175nm 的碳纳米管晶体管，其开态电流达到 2.24mA/μm、峰值跨导 gm 为 1.64mS/μm。相比 45nm 的硅基商用节点器件，该晶体管的性能更高。

（来源：Nature Electronics）

基于此，该团队根据业界的集成度标准，制备一款静态随机存取存储器单元（SRAM，Static Random-Access Memory），其整体面积仅有 0.976 平方微米，包含 6 个晶体管（6T）。

在主流的数字集成电路技术中，SRAM 单元面积是衡量实际集成密度的重要参数。尽管大量研究都曾演示过碳纳米管或低维半导体材料的 6T SRAM，但是它们的单元面积远远大于硅基 90nm 节点的 SRAM 单元，在集成度依然有待提高。

而该课题组首次采用非硅基的半导体材料，造出整体面积小于 1 平方微米的 6-T SRAM 电路，这表明碳基数字集成电路完全可以满足 90nm 技术节点的集成度需求。

（来源：Nature Electronics）

在此基础之上，该团队进一步探索了碳基晶体管缩减的可能性，证明按照严格的工业门标准，完全可以将碳基晶体管缩减到亚 10nm 的技术节点。

考虑到低维半导体器件在接触电阻的时候，会让电阻随着接触长度的缩减而出现急剧增大，这会让器件的整体尺寸无法缩减。

为此，课题组提出全接触的结构，结合侧面接触和末端接触的载流子注入机制，让器件不仅表现出更低的接触电阻，并能拥有更弱的接触长度依赖性。

基于全接触的结构，该团队尝试将碳管晶体管 CGP 缩减至 55nm，这对应着硅基晶体管中的 10nm 技术节点。与此同时，这款碳管晶体管的性能却优于基于硅基的 10nm 节点的 PMOS 晶体管。

（来源：Nature Electronics）

本次成果同时展示了碳纳米管晶体管在性能和集成度上的优势，结合其工艺简单、低功耗以及适合单片三维集成的特点，将让碳纳米管晶体管技术在高性能数字集成电路领域中发挥重大优势，从而成为一种通用的芯片平台技术，进而有望用于高性能计算、人工智能、宽带通信、智能传感等领域。

据了解，集成电路的主要发展方式是通过缩减晶体管尺寸提高性能和集成度，同时降低功耗和制造成本。为了继续推进集成电路的发展，针对未来电子学的核心材料、器件结构以及系统架构，学界和业界进行了广泛探索和深入研究。

其中，最受关注的方式是：采用超薄、高载流子迁移率的半导体，来构建包括二维半导体材料、一维半导体纳米线和碳纳米管等 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）器件，这些器件比硅基晶体管具有更好的可缩减性和更高的性能。因此，一直以来人们使用这些器件来构建纳米晶体管。

目前，碳纳米管晶体管已经展现出超越商用硅基晶体管的潜力，在数字集成电路应用中被寄予厚望。

然而，多数研究仅仅关注器件的栅长缩减，并未真正展现碳纳米管晶体管在集成度上的潜力。而集成电路关注的主要技术指标是多方面的，包括性能、功耗和集成度。

早在 2018 年初，张志勇就打算按照集成电路业界的技术节点发布标准，研发基于 90nm 技术节点的碳纳米管 CMOS 芯片工艺。

张志勇说：“为此，我先是考察了材料、设备、工艺技术的成熟度，然后物色和培养主攻这一方向的博士生林艳霞，耗时一年之久我培训了林艳霞在器件物理和工艺上的知识。”

后来，张志勇交给林艳霞一项目标：完成最小的晶体管和集成电路单元，并使用学校实验室的研究型设备，来完成使用业界顶级设备都难以完成的工艺。

这不仅要求林艳霞要对器件物理有着深入理解，还得具备精湛的实验技巧，最重要的是需要坚韧的品质。

后来，林艳霞整整做了五年。“中途又经历了新冠三年，实验断断续续，她也多次濒临情绪奔溃。印象最深的是有两次她哭着跟我抱怨：老师为什么把这么难的事让我做？但她还是坚持下来，完成了这项工作。”张志勇说。

最终，相关论文以《将对齐的碳纳米管晶体管缩放到低于 10nm 节点》（Scaling aligned carbon nanotube transistors to a sub-10nm node）为题发在 Nature Electronics[1]。

北京大学前沿交叉学科研究院博士生林艳霞和北京大学碳基电子学研究中心曹宇副研究员是共同一作，北京元芯碳基集成电路研究院、北京大学电子学院、碳基电子学研究中心彭练矛院士和张志勇教授担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Nature Electronics）

另据悉，目前该团队研发的高灵敏碳纳米管晶体管氢气传感器产品已经上市，其探测限可以达到 0.5ppm，属于最高端的氢气传感器产品，也是世界首款碳纳米管芯片产品。

相关的碳纳米管生物传感芯片也在研发中，预计近两年将会推向市场，以用于食品安全、病毒检测、慢病早筛、医学诊断等领域。

不过，要想实现高性能的数字集成电路还需要 CMOS 晶体管的参与，而本次研究仅仅展示了 PMOS 晶体管的尺寸缩减、以及全 PMOS 的微缩电路，因此需要进一步探索 NMOS（N-Metal-Oxide-Semiconductor，N 型金属-氧化物-半导体）晶体管的缩减，借此展示 CMOS 电路的缩减能力，以及实现 6T CMOS 的静态随机存取存储器。

相比 PMOS 晶体管，碳基 NMOS 晶体管的缩减面临着更大的挑战。主要原因在于 NMOS 器件的源漏接触，采用比较活泼的金属钪，这很容易被氧化。

特别是缩减到比较细的线条时，这会导致器件的接触电阻剧增，进而导致器件的性能迅速恶化，故很难在保持性能的前提下，将碳管 NMOS 晶体管的整体尺寸缩减到 200nm。

因此，课题组将通过采用特殊工艺，将碳管 NMOS 器件缩减到 10nm 及以下节点，真正实现先进技术节点的碳管 CMOS 工艺。

另外，目前该团队采用的工艺主要基于实验室，而非标准的工业化技术。比如，目前学界广泛使用的剥离工艺, 根本无法满足大规模集成电路的实际需求，因此需要换成业界标准的干法刻蚀工艺。

所以，课题组打算发展基于碳纳米管 CMOS 晶体管的标准化工艺，推进碳基芯片的工程化发展。

那么，目前碳纳米管芯片处于怎样的发展现状？是否已经或者预计何时可以投入商用？

张志勇表示：“我们在碳基材料和器件制备领域掌握了核心技术，并已初步打通材料、器件和芯片展示的主要环节，具备面向未来的技术推进能力和设备升级能力。”

结合传统集成电路的加工、设计平台和技术，以及组织管理经验，该团队完全有可能在全球领域内率先取得突破。

而随着碳基电子技术的发展，也有望产生全新的芯片技术和新的产业链。从目前的技术发展趋势来看，碳纳米管芯片正处于工程化的迭代过程，未来即将形成完整的技术链条。

不过，要想造出能用于高端数字集成电路还需要一定的时间，因此可以采取“沿途下蛋”的方法。

具体来说，碳基电子技术将在未来 3 年左右用于传感器芯片领域，以及在未来 5-8 年左右用于射频芯片领域，并将在未来 15 年内用于高端数字芯片领域。

到 2037 年，有望实现碳基 7nm 工艺（相当于硅基 2/1nm 工艺），届时将形成完整的碳基电子产业生态，碳基芯片也将被真正用于主流高性能逻辑芯片领域，从而让碳基电子技术全面超越传统半导体技术。

最后，张志勇表示：“未来已来，碳纳米管芯片即将走出学术期刊，走进我们的生活。”

参考资料：

1.Lin, Y., Cao, Y., Ding, S. et al. Scaling aligned carbon nanotube transistors to a sub-10nm node. Nature Electronics 6, 506–515 (2023). https://doi.org/10.1038/s41928-023-00983-3

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