《面向惡劣環境的蜂窩GaN納米網基高性能氫氣感測器研究》是依託深圳大學，由鐘愛華擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：面向惡劣環境的蜂窩GaN納米網基高性能氫氣感測器研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：鐘愛華
- 依託單位：深圳大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本課題面向物聯網高性能感測器和惡劣環境下感測技術的重大需求，基於蜂窩氮化鎵納米網，開展適合惡劣環境下使用的高性能納米氫氣感測器基礎研究。寬禁帶半導體氮化鎵耐高溫、耐酸鹼腐蝕，其納米感測器表現出優異回響性能。然而目前技術很難操控納米線和納米管等分立納米結構，很難通過簡易工藝可控、批量製備納米器件，成為納米材料走向器件研究套用的瓶頸。針對上述問題，本課題提出用連續性的蜂窩氮化鎵納米網替代分立的納米線，基於蜂窩氮化鎵納米網面內導電特性直接採用薄膜加工方法將其加工成納米器件，極大的簡化了納米器件加工過程。基於蜂窩氮化鎵納米網，課題提出 FET(場效應電晶體)型和電容型納米氫氣感測器，重點研究二氧化矽、氮化矽、氧化鎵絕緣插入層對氫氣檢測影響機理，納米感測器優異回響特性機理，和氫氣濃度量化數學表達式，為高性能納米感測器的簡易、可控、大批量製備提供理論指導和技術儲備，加快高性能納米感測器實用化進程。
結題摘要
實驗以Ti/Al/Ti/Au多層金屬膜為歐姆電極，在GaN蜂窩納米網上製備和研究了FET型和電容型氫氣感測器。實驗研究了門極與GaN之間的電介質插入層對氫氣檢測的影響，包括氮化矽和氧化鋅。實驗結果表明，插入氮化矽層的器件對氫氣幾乎沒有回響，而插入氧化鋅層的器件氫氣檢測效果也不好，因此接下來的實驗都沒有插入任何電介質層。項目還研究了門極金屬厚度對氫氣檢測的影響規律，門極厚度分別為90 nm，20 nm和10 nm。結果表明門極厚度對氫氣檢測起著舉足輕重的影響：90 nm的器件最低只能檢測50 ppm的氫氣，當門極厚度減小到20 nm後該器件低濃度檢測方面明顯變好，可以測試低於5 ppm的氫氣，厚度近一步降低到10 nm時器件的最低檢測濃度進一步降低，並且回響時間也隨著厚度的減小而縮短，因此我們將最佳化後的門極厚度設定為10 nm。 根據上面的研究，我們製備了最終最佳化版的FET型氫氣感測器。測試結果表明，該感測器對氫氣有快速的回響，1000 ppm時其回響時間只要2s, 這是目前報導的同類型半導體中最好的結果之一。1000 ppm時的恢復時間為4 min，跟文獻報導類似。我們特別注意了該感測器低濃度檢測性能。實驗發現，該感測器對1 ppm的氫氣都有非常明顯的回響，結合行業慣用的信噪比大於3的標準，我們計算出其最低檢測濃度為0.024 ppm。而目前報導的最好結果大約為5 ppm， 商業用光譜儀最低也只能測試到4 ppm。因此，本項目製備出的器件比目前報導的實驗結果和商業產品低了大約兩個數量級，實現了氫氣低濃度檢測的重大突破，有望在人體呼氣疾病檢測（4-20 ppm）和大氣監控（0.5 ppm）方面得到實際套用。雖然該感測器可以在室溫下工作，但加熱狀態下其回響性能顯然更好。然而傳統的底座式加熱方法體積大，加熱到工作溫度能耗高達900 mW，與目前的物聯網大趨勢相背離。本實驗引入微加熱器替代傳統底座式加熱法，實驗採用MEMS技術，以Pt金屬電阻為微加熱器，其還可以作為溫度感測器，實時監測感測器的工作溫度，提高檢測精度。實驗設計了一款集成了氫氣感測器、參照感測器、微加熱器和溫度感測器的集成氫氣感測器陣列。該晶片上的微加熱器升溫和降溫都非常迅速，升到419 oC的升溫和降溫時間分別為2.3 和2.5 ms，並且加熱功耗小到21mW.
