基于氮化鎵的濕度傳感器的制造、機理與應用

逍遙設計自動化

引言
/ ?# U2 V& n! t1 Y. v4 `氮化鎵(GaN)因具有高電子遷移率、寬能帶隙、生物相容性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)異特性，成為濕度傳感應用的理想材料。GaN的纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)中，最外層的鎵原子呈現(xiàn)正電性，具有優(yōu)異的配體結(jié)合能力，特別是與陰離子的結(jié)合，通過水分子自電離現(xiàn)象實現(xiàn)濕度檢測。
, ^" A) H2 s5 C) U
制造工藝
  o& g. f9 a- P1 V, y; {( x* |
圖1展示了濕度傳感器的制造工藝示意圖，顯示了制造GaN基傳感器件的關鍵步驟。

% |" P& e  k/ @& x
7 h% l4 h; H3 d8 t- C! o/ N圖2顯示了全面的材料表征結(jié)果，包括GaN層的STEM圖像(a)、氮元素分布圖(b)、鎵元素分布圖(c)、交叉電極的STEM圖像(d)、銀元素分布圖(e)、碳元素分布圖(f)，以及GaN(g)和交叉電極(h)的納米輪廓。
) q" r9 |5 G- h+ _# W7 K
1 W+ x' G* w! M5 \9 N制造過程包含兩個主要步驟：首先通過脈沖調(diào)制直流磁控濺射沉積GaN感應層，其次使用噴墨打印技術制作交叉電極(IDEs)。濺射過程使用高純度液態(tài)鎵靶材，并以特定流量比混合N2和Ar氣體。為提高GaN薄膜的晶體質(zhì)量，首先沉積20nm的ZnO緩沖層。
- A# ^4 Z( }' e; L
; O$ O) m' s& ]: I材料表征
! O& V: g+ a& ^
圖3展示了材料分析結(jié)果，包括XPS光譜的整體掃描(a)、Ga 3d能帶(b)、N 1s能帶(c)、O 1s能帶(d)、XRD圖譜(e)和拉曼光譜(f)。

* D& h, D& _  ~. z" G. {# ~' ~* A傳感機理與性能
) O, T. b# w/ t! D4 `# r傳感機理基于水分子與GaN表面的相互作用。暴露在潮濕環(huán)境中時，水分子發(fā)生自電離，產(chǎn)生氫離子(H3O+)和羥基離子(OH-)。這些離子與GaN表面相互作用，引起電學性質(zhì)變化，可通過阻抗或電容的變化進行測量。
7 ^& H" C: T8 h) f" L" x9 g$ Z
圖4顯示了濕度測試裝置(a)、1kHz下測量和模擬的阻抗與電容響應(b)、阻抗響應與恢復(c)、電容響應與恢復(d)、阻抗穩(wěn)定性(e)和電容穩(wěn)定性(f)。

- N. c( R+ Q* b9 y; G傳感器展現(xiàn)出優(yōu)異的性能特征：

在0-100%相對濕度范圍內(nèi)呈線性響應

電容靈敏度為8.53 nF/RH%

阻抗靈敏度為79 kΩ/RH%

響應時間3.5秒

恢復時間9秒

滯后小于3.53%
% h, m: P5 _/ S1 D
5 P' {$ Z( R% b1 y* Z模擬結(jié)果

圖5展示了模擬結(jié)果，包括相對介電常數(shù)隨頻率的變化(a)、能帶隙隨溫度的變化(b)、電導率隨頻率的變化(c)、電能(d)、相對介電常數(shù)隨溫度的變化(e)和電容響應隨溫度的變化(f)。

- P% y) ^- Z7 }; a# w
圖6展示了傳感機理，包括水分子的化學吸附(a)、電勢的3D視圖(b)、電勢的截面圖(c)、電場線的3D視圖(d)、器件層的截面圖(e)和等效電路(f)。
  T, Q4 x- U* n
實際應用

圖7顯示了實際應用，包括傳感器集成到口罩上(a)、人體呼吸的電流響應(b)、接近手指時的時變電流響應(c)和不同距離的測量結(jié)果(d)。
+ h" A8 L& j. s" _
+ j) r3 H5 t) E) X
圖8展示了植物監(jiān)測和肉類新鮮度檢測的應用，包括傳感器附著在植物葉片上(a)、植物蒸騰監(jiān)測結(jié)果(b)、氨基酸結(jié)構(gòu)和分解機理(c)以及肉類新鮮度狀態(tài)的電流響應(d)。

) H# U8 m3 D2 u4 @$ r應用與展望
; [, I5 F+ A% u# n. m' }傳感器在多個領域展示了實用價值：
$ Y8 |1 Y) U1 D& h, w: T/ u

通過口罩集成實現(xiàn)人體呼吸監(jiān)測

近距離感應

智慧農(nóng)業(yè)中的植物蒸騰監(jiān)測

通過氨氣感應進行肉類新鮮度檢測

結(jié)合優(yōu)異的傳感性能、生物相容性和溫度穩(wěn)定性，該GaN基濕度傳感器特別適用于從醫(yī)療保健到食品質(zhì)量控制等多個領域的實時監(jiān)測應用。
6 t. B0 q* P. A- p
參考文獻
# K# r- h0 F' q( ^% j! C) o[1] C. M. Furqan et al., "Humidity sensor based on Gallium Nitride for real time monitoring applications," Scientific Reports, vol. 11, no. 1, p. 11088, May 2021, doi: 10.1038/s41598-021-89956-0.

END

" b# i) P& ?' ?! D
. ]7 L+ Y* o; V! P軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
" E/ u" Q3 n- Y3 c8 l點擊左下角"閱讀原文"馬上申請
% @6 H+ X8 i( T: T  l" F
歡迎轉(zhuǎn)載
7 B3 c! C2 C" u5 j
' r4 B% T& O2 v/ J- n* e1 @轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
7 F. c% u- I, j7 A
9 G& D  r: Y$ L+ Z' q0 p4 K

" C. E- z7 f+ E7 A% s, ~6 z

關注我們
# s5 g; P2 M3 W
3 c+ Z- h' @: t+ X+ }( X

, J' L" ?6 l! [3 w3 }9 k: J# o   _" y$ {& B0 i. q* q5 q8 V1 a3 z- T

6 r) S/ a$ x& E, g* q7 D" D. j 1 Y0 D9 Q0 v- K+ T0 r

                     
' s) @1 o4 v4 ~! |- O9 y


( U+ ?4 x1 C$ ^( [/ y: `關于我們：
: u" n" D2 o/ M3 }" u$ n$ I深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導體芯片設計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設計和仿真軟件，提供成熟的設計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務，廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術與服務。

, q/ @# X! \. g% l4 f  A4 L7 {1 yhttp://www.latitudeda.com/
（點擊上方名片關注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）