Una técnica de transferencia basada en capas de sacrificio delgadas de nitruro de boro podría permitir el cultivo de sensores de gas de nitruro de galio de alto rendimiento en sustratos de zafiro y luego transferirlos a materiales de soporte de polímero metálico o flexible. La técnica podría facilitar la producción de dispositivos portátiles de bajo costo., dispositivos de detección móviles y desechables para una amplia gama de aplicaciones ambientales.
La transferencia de los sensores de nitruro de galio a láminas metálicas y polímeros flexibles duplica su sensibilidad al gas de dióxido de nitrógeno, y aumenta el tiempo de respuesta en un factor de seis. Los simples pasos de producción, basados en la epitaxia de fase de vapor orgánico metálico MOVPE, también podrían disminuirEl costo de producir los sensores y otros dispositivos optoelectrónicos.
Los sensores producidos con el nuevo proceso pueden detectar amoníaco a niveles de partes por mil millones y diferenciar entre gases que contienen nitrógeno. La técnica de fabricación del sensor de gas se informó el 9 de noviembre en la revista Informes científicos .
"Mecánicamente, simplemente despegamos los dispositivos del sustrato, como pelar las capas de una cebolla", explicó Abdallah Ougazzaden, director de Georgia Tech Lorraine en Metz, Francia y profesor en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Georgia Tech ECE"Podemos colocar la capa en otro soporte que podría ser flexible, metálico o plástico. Esta técnica realmente abre muchas oportunidades para nuevas funcionalidades, nuevos dispositivos y comercializarlos".
Los investigadores comienzan el proceso cultivando monocapas de nitruro de boro en obleas de zafiro de dos pulgadas usando un proceso MOVPE a aproximadamente 1,300 grados Celsius. El recubrimiento de la superficie de nitruro de boro tiene solo unos pocos nanómetros de espesor y produce estructuras cristalinas que tienen una superficie plana fuerteconexiones, pero conexiones verticales débiles.
Los dispositivos de nitruro de aluminio y galio AlGaN / GaN luego se cultivan sobre las monocapas a una temperatura de aproximadamente 1,100 grados Celsius, también usando un proceso MOVPE. Debido a las propiedades cristalinas del nitruro de boro, los dispositivos se unen al sustrato solo por débilFuerzas de Van der Waals, que pueden superarse mecánicamente. Los dispositivos pueden transferirse a otros sustratos sin inducir grietas u otros defectos. Las obleas de zafiro pueden reutilizarse para el crecimiento adicional del dispositivo.
"Este enfoque para la ingeniería de sensores basados en GaN es un paso clave en el camino hacia sensores flexibles económicamente viables con mejores prestaciones que podrían integrarse en aplicaciones portátiles", escribieron los autores en su artículo.
Hasta ahora, los investigadores han transferido los sensores a papel de cobre, papel de aluminio y materiales poliméricos. En funcionamiento, los dispositivos pueden diferenciar entre óxido de nitrógeno, dióxido de nitrógeno y amoníaco. Debido a que los dispositivos tienen aproximadamente 100 por 100 micras, sensores paraSe pueden producir múltiples gases en un solo dispositivo integrado.
"No solo podemos diferenciar entre estos gases, sino que debido a que el sensor es muy pequeño, podemos detectarlos todos al mismo tiempo con una serie de sensores", dijo Ougazzaden, quien espera que los dispositivos puedan modificarse para detectar tambiénozono, dióxido de carbono y otros gases.
Los sensores de nitruro de galio podrían tener una amplia gama de aplicaciones, desde la industria hasta los motores de vehículos, y para dispositivos de detección portátiles. Los dispositivos son atractivos debido a sus propiedades de materiales ventajosas, que incluyen una alta estabilidad térmica y química.
"Los dispositivos son pequeños y flexibles, lo que nos permitirá ponerlos en muchos tipos diferentes de soporte", dijo Ougazzaden, quien también dirige el Laboratorio de Investigación Conjunta Internacional en Georgia Tech CNRS.
Para evaluar los efectos de transferir los dispositivos a un sustrato diferente, los investigadores midieron el rendimiento del dispositivo en la oblea de zafiro original y lo compararon con el rendimiento en los nuevos sustratos metálicos y de polímero. Se sorprendieron al ver una duplicación de la sensibilidad del sensor yun aumento de seis veces en el tiempo de respuesta, cambios más allá de lo que se podría esperar por un simple cambio térmico en los dispositivos.
"No solo podemos tener flexibilidad en el sustrato, sino que también podemos mejorar el rendimiento de los dispositivos simplemente moviéndolos a un soporte diferente con las propiedades apropiadas", dijo. "Las propiedades del sustrato solo hacen que las características sean diferentesactuación."
En el trabajo futuro, los investigadores esperan mejorar la calidad de los dispositivos y demostrar otras aplicaciones de detección. "Uno de los desafíos futuros es mejorar la calidad de los materiales para que podamos extender esto a otras aplicaciones que son muy sensibles a lasustratos, como la electrónica de alto rendimiento "
Los investigadores de Georgia Tech han usado previamente una técnica similar para producir diodos emisores de luz y detectores ultravioleta que fueron transferidos a diferentes sustratos, y creen que el proceso también podría usarse para producir productos electrónicos de alta potencia. Para esas aplicaciones, transferirdispositivos de zafiro a sustratos con mejor conductividad térmica podrían proporcionar una ventaja significativa en la operación del dispositivo.
Ougazzaden y su equipo de investigación han estado trabajando en semiconductores basados en boro desde 2005. Su trabajo ha atraído visitas de varias empresas industriales interesadas en explorar la tecnología, dijo.
"Estoy muy emocionado y afortunado de trabajar en un tema tan candente y tecnología de primer nivel en GT-Lorraine", dijo Taha Ayari, estudiante de doctorado en la Escuela Tecnológica de Georgia de ECE y primer autor del artículo.
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Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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