深港微电子学院李携曦助理教授课题组在氮化镓光电传感器件领域取得研究进展

2022-03-25 科研聚焦 浏览量：19762

近日，南方科技大学深港微电子学院李携曦助理教授课题组在氮化镓光电传感器件领域取得研究进展，相关成果在IEEE Electron Device Letters、Microsystems & Nanoengineering和Sensors and Actuators B: Chemical期刊上发表。 

角度传感器件

本研究提出将具有发光和光探测能力的微型氮化镓器件与装有乙醇的容器集成。乙醇在旋转过程中调节内反射光量，片上探测器产生光电流信号，以显示相应的角度变化。器件尺寸为5mm×5mm×4mm，从四个片上探测器测得的光电流可用于辨别0–360°的全角度范围，并展示出0.33 s的响应时间。

相关成果以“III-Nitride Microsensors for 360°Angle Detection”为题发表于IEEE Electron Device Letters上(IF: 4.187)，并被选为当期Editors' Pick。论文第一作者为2021级博士生尹嘉豪。

图1：(a)封装后的器件图；(b)光电流随旋转角变化的曲线。

压力传感器件

本研究提出在氮化镓单片上集成光源和光检测器，并与具有微结构的PDMS薄膜集成，实现微型压力传感器。施加外界压力时，带有微圆顶阵列结构的PDMS薄膜与氮化镓芯片的接触面积增加，从而改变光传播路径和光电流值。传感器件尺寸为2mm×2mm×0.4mm，响应时间小于5 ms，与文献报道相比具有较高的灵敏度，并通过18,000次循环试验验证了其稳定性。此外，其在可穿戴应用中的实时监控能力已得到实验证明。

相关成果以“A Chip-Scale GaN-Based Optical Pressure Sensor With Microdome-Patterned Polydimethylsiloxane (PDMS)”为题发表在IEEE Electron Device Letters上(IF: 4.187)。论文共同第一作者为2021级联培博士生安小帅和2018级本科生罗雨萌。

图2：固定在人体腹部的器件(a)前视图和(b)侧视图；(c)在不同的身体运动下测量的光电流变化。

风速传感器件

随着便携式传感设备的快速发展，对响应速度快、灵敏度高、体积小、成本低的风速传感器的需求正成为重要趋势。本研究基于氮化镓光电器件与柔性PDMS的集成，提出了一种新型风速传感器件。传感器件无需外部光学耦合元件，可检测高达53.5ms-1的气流速率，并具有12ms的快速响应，展示了其在监测人体呼吸中的应用。

论文成果以“Chip-Scale Optical Airflow Sensor”为题发表在Microsystems & Nanoengineering上(IF: 7.127)。论文第一作者为2018级本科生罗雨萌。

图3：嘴部通过管子吹向传感器的(a)光学图像和(b)光电流响应。

湿度传感器件

本研究提出了一种基于氮化镓器件与人造蛋白石紧凑集成的新型光学湿度传感器。蛋白石薄膜由具有亲水性的二氧化硅粉末组成，其与湿度相关的光反射可以通过片上检测器精确监测。集成器件在相对湿度（RH）3.8-90%范围内表现出高度线性响应，灵敏度为0.046-0.051 μA/%RH，并展示出其对人体呼吸状况的实时监测能力。

论文成果以“An optical humidity sensor: A compact photonic chip integrated with artificial opal”发表在Sensors and Actuators B: Chemical上(IF: 7.46)。论文第一作者为2020级博士生喻彬璐。

图4：传感器件在不同呼吸条件下的实时光电流响应。

李携曦为上述论文通讯作者，南方科技大学深港微电子学院为第一通讯单位。以上研究还得到了南科大深港微电子学院教授于洪宇、研究副教授汪青、和香港大学助理教授褚智勤的支持。

相关论文列表：

J1) J. Yin, H. Yang, Y. Luo, Q. Wang, H. Yu, and K.H. Li*, III-Nitride Microsensors for 360° Angle Detection, IEEE Electron Device Letters 43, 458-461 (2022).

J2) X. An#, Y. Luo#, B. Yu, L. Chen, and K.H. Li*, A Chip-Scale GaN-Based Optical Pressure Sensor With Microdome-Patterned Polydimethylsiloxane (PDMS), IEEE Electron Device Letters 42, 1532-1535 (2021).

J3) Y. Luo, X. An, L. Chen, and K.H. Li*, Chip-Scale Optical Airflow Sensor, Microsystems & Nanoengineering 8, 4 (2022).

J4) B. Yu, Y. Luo, L. Chen, Z. Chu, and K. H. Li*, An optical humidity sensor: A compact photonic chip integrated with artificial opal, Sensors and Actuators B: Chemical 349, 130763 (2021)