基于氮化鎵的濕度傳感器的制造、機理與應(yīng)用

逍遙設(shè)計自動化

引言
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(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異特性，成為濕度傳感應(yīng)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。

; D: v- F8 l5 O( w* _" x制造工藝
/ C: ?. }+ S  ?; h2 L
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(guān)鍵步驟。

1 q/ ^/ Q/ s& `  V" C
$ C! ~$ ?$ }/ C- d" m7 g' {8 ^3 U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。
8 P1 B0 m+ {) |
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(yīng)層，其次使用噴墨打印技術(shù)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。
# ~" L9 U9 @: T. f, U: z& b
材料表征
  D5 L, D+ g6 E4 s0 N- _/ m
4 {# }/ W; S9 a0 B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)。
  x+ Z( l( k: h6 h9 z/ ]
. c8 e$ R( ~6 r# B; B& l' ?傳感機理與性能
" j0 a$ O1 L1 N5 W0 e1 k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(xué)性質(zhì)變化，可通過阻抗或電容的變化進行測量。
1 t2 P1 c- Y+ ?. d- x# H. K
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(yīng)(b)、阻抗響應(yīng)與恢復(fù)(c)、電容響應(yīng)與恢復(fù)(d)、阻抗穩(wěn)定性(e)和電容穩(wěn)定性(f)。
1 x7 K( U  H" {! V
傳感器展現(xiàn)出優(yōu)異的性能特征：
7 f1 z" h3 L/ g$ L

在0-100%相對濕度范圍內(nèi)呈線性響應(yīng)

電容靈敏度為8.53 nF/RH%

阻抗靈敏度為79 kΩ/RH%

響應(yīng)時間3.5秒

恢復(fù)時間9秒

滯后小于3.53%

模擬結(jié)果

9 X! ~- x4 g; A1 [7 t5 Q% G4 n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(dǎo)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(yīng)隨溫度的變化(f)。

1 c) a8 y9 ]3 r
; i! p5 R" t6 u: l  k  f圖6展示了傳感機理，包括水分子的化學(xué)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)。

實際應(yīng)用

圖7顯示了實際應(yīng)用，包括傳感器集成到口罩上(a)、人體呼吸的電流響應(yīng)(b)、接近手指時的時變電流響應(yīng)(c)和不同距離的測量結(jié)果(d)。

! j' ?+ F, \0 |; G. _
8 a! Y9 M9 v  C) a圖8展示了植物監(jiān)測和肉類新鮮度檢測的應(yīng)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(yīng)(d)。

# a8 q2 }: E+ y' ?4 j( B5 V應(yīng)用與展望
% Q7 U2 _9 L9 Z* b2 D+ q; \+ O4 G$ ^5 {傳感器在多個領(lǐng)域展示了實用價值：
$ }8 K! @8 c% @, |$ l

通過口罩集成實現(xiàn)人體呼吸監(jiān)測

近距離感應(yīng)

智慧農(nóng)業(yè)中的植物蒸騰監(jiān)測

通過氨氣感應(yīng)進行肉類新鮮度檢測

, H9 }5 c6 w* E+ y9 q7 u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(lǐng)域的實時監(jiān)測應(yīng)用。
, S8 D2 Z! n# o/ e& t
, U9 Z! S' \4 X3 X參考文獻
[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


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(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點擊左下角"閱讀原文"馬上申請

8 d/ v2 s- p4 X* {歡迎轉(zhuǎn)載
  j& Z5 t' u5 Z' `
轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！

5 z- R* u; p! ?4 U* A5 Z" k- E% z+ @7 B


5 E1 Y6 }& x2 _
; O- y5 @, H7 r/ S2 f! }# G關(guān)注我們
& d  ^3 b! N0 B. c+ L& r* S
9 b7 r0 D* J: p$ _

7 ?% `( r6 X, [2 p% Q  n& U$ W  b

                     



( Q% {; t- F3 o  e7 b, d- o! \關(guān)于我們：
1 _6 O/ v) A+ v  {深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)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(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)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(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

http://www.latitudeda.com/
（點擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）