韩国研究人员提出了一种新型AlGaN/GaN异质结氢传感器

前言

近年来，氢气作为替代现有石油基燃料的清洁可再生能源得到了深入研究。因此，氢气传感器的开发对于工业安全和环境保护问题变得越来越重要，因为氢气易于点燃和爆炸。因此，有必要开发一种能够快速准确检测氢气浓度并具有高响应特性的氢气传感器。氮化镓(GaN)由于其宽能带隙特性而具有极低的本征载流子浓度；这种低的本征载流子浓度允许半导体特性保持在比常规半导体材料(例如硅和GaAs)高得多的温度。这也将导致氢催化反应通常需要的低泄漏电流和高温下的稳定操作。当在传感器平台中使用AlGaN/GaN异质结时，在AlGaN和GaN之间的界面处形成的极化感应二维电子气(2DEG)通道由于薄的AlGaN阻挡层和高电子迁移率而提供了高灵敏度的额外好处。

研究内容

韩国的研究人员利用钯层上的氧化锌纳米粒子双催化剂层，在氮化镓/氮化镓异质结平台上制作了氢气传感器。氧化锌纳米粒子的合成和分散过程是精心优化的传感器制造。采用简单的旋涂方法在钯催化剂层上形成氧化锌纳米粒子层。氧化锌纳米粒子增加了可用的表面积，从而增强了氢分子的吸收。氧化锌纳米粒子中离子化的氢分子加速了与钯的催化反应。

实验方法

氢传感器制作在铝镓氮/氮化镓异质结平台上。在1毫米厚的(111)取向硅衬底上生长了氮化镓/氮化镓异质结外延层。外延结构由硅衬底上的10纳米原位SiNx钝化层、3.5纳米氮化镓盖层、23纳米Al0.24Ga0.76N阻挡层、420纳米无掺杂氮化镓沟道层和4.2微米氮化镓缓冲层组成。2DEG浓度为9×1012cm-2，迁移率为1470 cm2/V⋅s.。传感器制造过程如下。在溶剂清洗之后，通过光刻来限定欧姆接触区域，并且在欧姆金属沉积之前，分别使用基于CF4和Cl2/BCl2的电感耦合等离子体反应离子蚀刻，将暴露的原位SiNx钝化层和下面的外延层向下蚀刻到AlGaN阻挡层的中间。在钛/铝/镍/金(=200/1200/250/500)金属化之后，在N2环境中于800 ℃进行30秒的快速热退火以获得低欧姆接触电阻。在额外的光刻工艺之后，蒸发钛/金(=20/250纳米)金属叠层以产生焊盘电极。使用与上述相同的蚀刻工艺实现传感器隔离，蚀刻深度为350纳米。通过光刻在两个欧姆电极之间限定催化剂区域，其中暴露的原位SiNx层和下面的外延层使用与前述相同的蚀刻工艺进行蚀刻。催化剂区域下剩余的AlGaN阻挡层厚度为10纳米，蒸发30纳米厚的钯膜作为第一底部催化剂层。然后为焊盘电极蒸发钛/金(=20/250纳米)金属叠层，并使用等离子体增强化学气相沉积在190℃沉积100纳米SiNx膜用于表面钝化。用于气体检测的催化剂窗口面积(=24 ×100 μm2)由基于CF4的等离子体蚀刻工艺限定，在该工艺期间，焊盘接触区域也被打开。为了形成氧化锌纳米粒子/钯的双催化剂层，将分散在氯仿/乙醇(氯仿75 %，体积比)的共溶剂中的氧化锌纳米粒子在3000转/分钟下旋涂30秒，并在120℃下退火1小时。氧化锌纳米粒子层的厚度为170纳米。

在Si上ZnO-NPs/Pd功能化AlGaN/GaN氢传感器的制备工艺。

Si上AlGaN/GaN氢传感器中氧化锌-纳米粒子/钯双催化剂层的透射电镜图像和能谱分析。

单钯催化剂层和双ZnO-NPs/Pd制备的硅基AlGaN/GaN氢传感器的电流-电压特性比较。

结论

氧化锌纳米粒子旋涂在钯催化剂层上增强了AlGaN/GaN异质结氢传感器的氢催化反应过程。涂覆的氧化锌纳米粒子层厚170纳米，纳米粒子直径约为5-10纳米。确定分散在氯仿/乙醇(氯仿75 %，v/v)共溶剂中的氧化锌纳米粒子是获得均匀涂层的合适选择。氧化锌纳米粒子的加入显著提高了传感响应。这表明，除了反应表面积的增加，在氧化锌纳米粒子中的氢离子化反应，是改善传感特性的原因。使用氧化锌纳米粒子的缺点之一是由于俘获和去俘获过程而导致相对较大的响应和恢复时间。然而，根据测试结果，这些没有显著增加，并且不限制传感器的应用。因此，这项研究表明，一个简单的旋涂工艺的氧化锌纳米粒子可以是一个成本效益和有前途的技术，以提高氢传感器的反应。

https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.128946。