我国科研人员在GaN气体传感器研究领域取得新进展

近年来,第三代半导体材料GaN以其宽的禁带宽度、高导热性、高击穿电场等优点受到了科学家们的广泛关注。

  随着工业化和城市化的快速发展,气体传感器以其高灵敏度和广泛的应用受到越来越多的关注,如工业厂房排放监测、室内外环境污染检测、呼吸传感分析等领域,都需要用到各种其他传感器。同时,在物联网市场高速发展的背景下,气体传感器在智能家居可穿戴设备、智能移动终端等领域的应用需求迅速增长。

        据报告显示,在全球市场中,气体传感器在传统应用领域中的需求不断增长,2016-2021年将保持7.3%年均复合增长率上升,到2021年,全球气体传感器市场规模将达到9.2亿美元。随着终端消费市场崛起,全球消费领域气体传感器需求保持高速增长。2015年,全球消费用气体传感器出货量为130万颗左右,2018年迅速提升至1亿颗,预计到2020年其需求将增长至3.5亿颗,气体传感器行业迎来新一轮发展机遇。

  气体传感器行业属于技术及资金密集型行业,其产品研发及生产周期较长。在全球市场中,气体传感器生产企业主要集中在英国、日本、德国、美国、中国等国家。我国气体传感器行业经过技术与经验的不断积累,先进企业,行业整体竞争力不断增强。

  近年来,第三代半导体材料GaN以其宽的禁带宽度、高导热性、高击穿电场等优点受到了科学家们的广泛关注。第三代半导体材料——氮化镓(GaN),作为时下新兴的半导体工艺技术,提供超越硅的多种优势。与硅器件相比,GaN在电源转换效率和功率密度上实现了性能的飞跃,广泛应用于功率因数校正(PFC)、软开关DC-DC等电源系统设计,以及电源适配器、光伏逆变器或太阳能逆变器、服务器及通信电源等终端领域。GaN材料在气体传感器方面也发挥着不可估量的作用。

  基于GaN材料的气敏传感器已经有诸多报道,然而GaN材料的制备和器件的制作大多涉及复杂的工艺和昂贵的设备,从而导致较高成本,严重阻碍了GaN气体传感器地大批量生产应用。因此,在提高GaN传感器件灵敏度的前提下,降低材料的制备成本以及简化器件的制作工艺还需要进一步研究。


多孔 GaN 亚微米棒的形成过程示意图

  近日,南方科技大学的汪飞课题组表明他们在GaN气体传感器研究方面取得了新的进展,该课题组长期从事微纳米加工工艺、MEMS传感器件及敏感材料研究,有效提高了对乙醇,丙酮,氢气,二氧化硫等不同气体及环境湿度的监测,并长期致力于发展高性能,低功耗传感器与微型能量采集器件。

        经过长期的试验对比,该课题组发现,GaN-3器件的乙醇传感性能最佳,可归结于以下三点:(1)产物具有最高的比表面积(40.8m2g-1),有利于气体分子的吸附和反应;(2)组成亚微米棒的晶粒尺寸较小,使得GaN晶粒颈联部分的电子耗尽区占比增大,也导致器件电阻发生较大变化;(3)器件在空气中的电阻值较小,由于GaN-3产物的长径比(4.90)最大且平均直径最小,使器件电阻受到相邻亚微米棒之间势垒的影响。

        同时,该课题组实现了如下的创新研究:通过调控Ga盐浓度和水热条件,制备了长径比不同的GaOOH亚微米棒前驱体;分别在空气和氨气气氛中退火获得多孔GaN亚微米棒;比较和分析了长径比、比表面积、工作温度等对GaN基气体传感器的乙醇气敏性能的影响;提出了一种基于多孔GaN亚微米棒的乙醇气敏增强机制。

        据悉,课题组研究工作长期获得了国家自然科学基金、广东省自然科学杰出青年基金、深圳市战略新兴产业发展专项资金等支持。

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