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氮化镓材料在传感器中的应用

        氮化镓(GaN)是直接宽带隙半导体材料,属于第3代半导体。相较于硅、砷化镓等,GaN的禁带宽度更大、击穿电场强度更高,具有更高的电子饱和度和漂移速率、更强的抗辐照能力以及较强的化学稳定性。氮化镓材料与硅、砷化镓材料的电子性能对比如表1所示。

        目前GaN制备工艺成熟,已经能够利用GaN制造出结构复杂的器件。GaN基紫外探测器由于在可见光和红外光范围内都没有响应,其在可见光和红外光背景下的紫外光探测具有极大的优势。GaN材料制造的传感器相较其他材料传感器也表现出更加优秀的性质,因而在紫外探测、生物化学探测方面都获得了广泛应用。


        一、GaN在紫外探测领域

        1.导弹预警

        目前使用的许多雷达,尤其是采用有源相控阵列天线的雷达,在其结构中都使用了GaN材料。然而,科学家现在已经把GaN视为未来雷达设计制造的奇迹材料。

        随着GaN技术的成熟和生产成本的下降,美、欧已将GaN纳入下一代装备的研制。美国雷神公司(Raytheon)是一家专注于国防、民政和网络安全解决方案的技术和创新领导者。2016年雷神公司销售额达到240亿美元,员工人数达63 000人。其领导的GaN材料技术的研发和创新已达19年,并已投资超过2亿美元。雷神公司于2016年2月在“爱国者”防空和导弹防御系统雷达上成功演示了GaN基有源相控阵(Active Electronically Scanned Array,AESA)技术原型。该技术可与未来开放架构(如综合防空和导弹防御作战指挥系统)协同工作,并兼容目前的爱国者火控系统,还可完全与北约实现相互操作。GaN基AESA技术是未来地面传感器的发展方向,这些技术除了能够在未来实现360°感知覆盖外,还将扩展防御范围,并减少探测、辨别和消除威胁的时间,以及改善雷达的可靠性和降低全寿命周期成本。美国F-22、F-35战斗机及轰炸机都装备了该型号的AESA雷达。

        在雷神公司的下一代防空与导弹综合雷达(Integrated air and missile defense radar,AMDR)上也利用GaN元器件进行了升级。核心技术投入十多年造就了目前AMDR的高性能和高可靠性。新一代分布式接收激励器和自适应数字波束成形的开发,测试和生产都利用大功率GaN半导体。AMDR的GaN元件比砷化镓(GaAs)替代品的成本要低34%。与目前的驱逐舰AN/SPY-1D(V)雷达相比,AMDR提供了更大的检测范围,更高的识别精度,更高的可靠性和可持续性,并降低了总拥有成本。该系统采用称为雷达模块化组件(Radar Modular Assemblies,RMA)的单个“构建块”构建。每个RMA是一个(2×2×2)英寸的独立雷达。这些单独的雷达RMA可以堆叠在一起形成任何尺寸的阵列,以适应各种船舶任务要求,使AMDR成为海军首个真正可扩展的雷达。

        2.导弹探测 

        美国国防高级研究计划局于2009年自助开发了基于氮化镓铝(AlGaN)材料的的紫外感应技术。AlGaN材料对火箭发动机发出的太阳射线中没有的一种窄报端紫外线非常敏感,该技术能把导弹预警系统发出的错误报警降低到最低限度,并减少传感器的复杂性和成本。美国使用的AAR-57和AAR-54等被动式导弹预警系统都应用了该技术。

        3.紫外数字照相机

        美国陆军研究办公室和国防部高级项目管理局向北卡罗莱纳州立大学固体物理实验室提供资金资助研发了一种基于AlGaN半导体的紫外数字照相机。在他们还制造出了一个包含GaN/AlGaN异质结p-i-n光电二极管阵列的可见光盲紫外摄像机。每一个光电二极管都对320~365nm的紫外光具有敏感的响应。这些传感器在在军事以及医学如癌症早期探测等领域获得了应用。

        4.海洋探测

        2004年,中国科学院上海技术物理所研制出了海监机载多光谱扫描仪(MAMS),配合中国国家海洋局东海分局对东海海面溢油情况进行了航空校飞。虽然在250~350nm的紫外波段成像效果良好,但MAMS采用的是电子倍增管,其体积大,工作电压高,导致仪器体积质量大且操作繁琐。2008年,上海技术物理所开始采用自行研发的GaN基线阵列器件,并于2009年推出了256×1元GaN基可见盲区便携式紫外GaN线列探测器,这是国内首次制备出AlGaN日盲型线列焦平面探测器。其最大电流响应为0.16A/W,响应峰值波长在360nm左右,比探测率为1×1011cmHz1/2/W,信噪比平均值>820,器件截至波长小于280nm。同年7月国家海洋局第二海洋研究所研究人员在“东方红二号”科学试验测试船上携带该相机外景成像系统出海,对海面进行了紫外实景拍摄用于海洋溢油的监测。


        二、GaN红外探测领域

        美国密歇根大学的人员利用GaN微机械谐振器制备出了一种红外探测器。他们在平行的高Q值GaN微机械谐振器覆盖一层吸收红外光的纳米聚合物。聚合物将红外光的能量高效的转化为热能,由于热电效应,进而造成GaN微机械谐振器频率偏移。与标准谐振器比较,然后通过测量谐振器的频率和振幅变化来获得红外光的信息。相比传统光学红外探测器,这种GaN微机械谐振红外探测器具有更高的信噪比、更宽的频率带宽,并且不需要冷却,能在室温和高温下工作。


        三、GaN在压力传感器中的应用

        美国国家航空航天局利用GaN的耐高温、耐腐蚀、抗辐射性质,制造出应用于宇宙飞船上的GaN/AlGaN基压力传感器。其工作原理是:在AlGaN/GaN异质结构中发生的二维电子气(2DEG)效应来设计在器件中对机械应变电敏感的传感器。这项工作集中在压力传感器的设计和微细加工。这些压力传感器在受到应变时,AlGaN/GaN界面处的极化将会发生变化。通过测量机械变形时在AlGaN和GaN的界面处发生的二维电子气(2DEG)的高温响应来获得宇宙飞船的零器件机械形变信息。该工作将有助于研究金星行星大气剖面,或分析飞机结构在超音速飞行时的材料性质,并允许在火箭推进系统中进行感测。此外,使用GaN作为传感器开发的材料平台可以通过消除复杂封装来减少航天器有效载荷。该传感器研发所支持NASA技术研究领域包括空间技术路线图(STR)中描述的TA12(能够在空间环境中生存的材料和能够减少包装的轻型结构的材料)和TA10(传感器,电子和设备,微型仪器)。


        四、GaN在生物化学探测领域的应用

        美国弗洛里达大学的人员利用GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)制造出了在呼出气冷凝液中检测葡萄糖含量的传感器,该传感器可通过气道病理途径监测糖尿病状况。传感器结构包括:一层3μm厚的非掺杂GaN缓冲层,3nm厚的Al0.3Ga0.7N隔离层,和22nm厚的硅掺杂Al0.3Ga0.7N盖层。葡萄糖的探测区域通过ZnO纳米棒结构固化形成。通过测量氧化锌栅AlGaN/GaN HEMT传感器的漏源电流,在传感器暴露在pH值为7.4的呼出气冷凝液中时,能够在5s内得到葡萄糖的含量,范围在0.5×10-9mol/L到125×10-6mol/L之间。

        由于GaN材料的宽禁带以及优秀的光电学性质,已经在紫外探测领域获得广泛的应用前景,具体包括宇宙飞船、紫外天文学、导弹尾焰探测、环境污染监视、火箭羽烟探测、火灾监测、火焰传感、臭氧监测、血液分析、水银灯消毒控制等。同时,凭借着其电学以及机械方面的良好性能,使其应用范围进一步扩展到红外探测、压力探测、生物化学探测等领域。目前GaN材料仍然需要深入研究的方向包括改善材料生长工艺,进一步减小缺陷的产生;优化后工艺条件,包括更好的P型掺杂工艺、欧姆接触等;创新器件结构,制备性能更高、能更好的与其他技术(如硅基)兼容的GaN基器件。相信随着进一步的探索,GaN材料将会在更多的应用场合绽放璀璨的光彩。


作者:刘义鹤 江洪
来源:《新材料产业》2017年第05期



| 发布时间:2020.07.01    点击次数:1397
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