深港微电子学院李携曦助理教授课题组在氮化镓基光电集成器件领域取得研究进展

2023-12-01 科研聚焦 浏览量：2138

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基光电集成器件领域取得研究进展，研究成果包括微型真空压力传感器、具有机械-光电信号转换功能的逻辑门器件，以及微型三轴力传感器。相关研究成果发表于《IEEE Electron Device Letters》。

微型真空压力传感器

真空压力传感器是工业领域广泛应用的一类压力传感器，涉及生产自控、管道送风、水利电力、真空设备等诸多行业。本工作通过氮化镓光电芯片与多孔PDMS薄膜集成，构建了一种微型真空压力传感器件。多孔PDMS薄膜采用简易的机械搅拌起泡法制备。利用该薄膜在大气压和真空条件下发生的显著反射变化，测量出与真空压力线性相关的光电流变化以及22-760Torr的压力变化。该微型传感器还具有结构紧凑、易于操作、1.0 s的快速响应、1.3%的小滞后率和高稳定性等优点，适用于真空压力传感的广泛应用。该论文共同第一作者为学院2020级硕士生耿璠和2020级博士生喻彬璐。

图 1.（a）封装的氮化镓器件。（b）集成多孔PDMS薄膜的微型真空压力传感器在大气和真空条件下的实时状态。（c）不同PDMS薄膜厚度下，测量的光电流响应与真空压力的关系。

光电开关与逻辑门

      力传感器在人机交互和机器人控制等多个领域发挥着重要作用。传感器中的力敏元件将机械信号转换为电信号，而传感器内的逻辑电路负责对电信号进行处理。在这项工作中，通过设计具有逻辑运算功能的力敏元件单元，实现了更紧凑的力学传感应用。所提出的基于氮化镓光学器件的逻辑转换开关，使用PDMS将具有两种不同折射率的介质包裹在传感器内，两种传感单元可对相同的压力信号表现出完全相反的输出响应。本研究将具有相反逻辑转换功能的力传感单元封装于PCB上，制备出与、或、与非、或非的力-电信号转换器件。该论文第一作者为学院2021级博士生尹嘉豪。

图 2.（a），（b）器件实物图及串联、并联的PCB线路示意图。（c-f）与、或、与非、或非门。（g）对于动态按压输入信号（X，Y），四种门电路的输出曲线。

高分辨率三轴力传感器

      相比于单向力传感器，能够同时检测压力大小与方向的三轴力传感器更能适应机器人手、精密手术及工程控制等领域的多元化需要。这项工作提出了一款正向压力测量范围可达200mN，水平和垂直方向的分辨率均为2mN，且有效面积仅有1.3mm×1.3mm×1.4mm的三轴力传感器。传感器基于具有蓝宝石衬底的氮化镓光电器件，包含单片集成的一个光发射器与四个光探测器。本工作将器件以倒装方式封装于PCB上，并在器件上方固定PDMS软帽层。当PDMS帽层被按压时四个光探测器的蓝宝石界面处的折射率比值发生变化，并且四个光电检测器的光生电流相应地改变。检测到的光生电流变化即可用来表征力的方向与大小。该器件在长时间工作状态下表现出良好的重复性。该论文第一作者为学院2021级博士生尹嘉豪。

图 3.（a）器件分层示意图。（b），（c）封装后的器件实物图。（d）器件具体尺寸。（e）三轴力传感器。（f-h）传感器在常态、垂直应力状态、水平应力状态时的示意图。

李携曦助理教授为上述论文通讯作者，南方科技大学深港微电子学院为上述论文第一通讯单位。

相关论文列表： 

[1] F. Geng, B. Yu and K. H. Li, "Fast Response PDMS/GaN Optical Vacuum Microsensors," in IEEE Electron Device Letters, vol. 44, no. 2, pp. 301-304, Feb. 2023, doi: 10.1109/LED.2022.3227948.

[2] J. Yin, B. Yu, Y. Luo, Q. Wang, H. Yu and K. H. Li, "Optomechanical Switches and Logic Gate Functions Based on GaN-on-Sapphire Devices Integrated With PDMS Membranes," in IEEE Electron Device Letters, vol. 44, no. 7, pp. 1192-1195, July 2023, doi: 10.1109/LED.2023.3281809.

[3] J. Yin, Y. Luo, L. Chen, Q. Wang, H. Yu and K. H. Li, "High-Resolution Optical Three-Axis Tactile Microsensor Based on III-Nitride Devices with Integrated PDMS Bumps," in IEEE Electron Device Letters, doi: 10.1109/LED.2023.3325467.