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氢气传感器基于AlGaN/GaN HEMT及Pd-SnO?复合栅研制，优化工作温度120°C时，500ppm H?下平均恢复时间24±2.45秒，响应≤10秒，稳定性和重复性优异，选择性达NH?的17倍和NO?的46倍，提升实时监测能力。
周焕新|高月|严伟|田勇|罗静婷|钟爱华
教育部与广东省共建的光电器件与系统重点实验室，深圳大学物理与光电工程学院，中国深圳518060
摘要
本文研制了一种基于AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）并采用Pd–SnO?复合栅极的氢传感器，并对其进行了系统研究。将SnO?集成到Pd栅极中显著提升了传感器的恢复性能，同时保持了快速响应特性。优化后的传感器在120°C的工作温度下表现出优异的传感性能：在500 ppm H?浓度下，平均恢复时间为（24 ± 2.45）秒。在宽广的浓度范围（100–10,000 ppm）内，该传感器具有快速响应（≤ 10秒）、稳定恢复（< 50秒）、优异的重复性和长期稳定性。此外，该传感器具有出色的选择性，其对H?的响应强度是NH?的17倍，是NO?的46倍。研究结果表明，Pd–SnO?栅控的AlGaN/GaN HEMT传感器在实时氢气检测方面具有巨大潜力，尤其是在低至中等浓度范围内，从而提升了氢能应用的安全性和效率。
引言
随着石油和煤炭等化石资源的过度开采，全球面临严重挑战，包括主要能源的枯竭和温室效应的加剧，这加速了全球变暖的进程。氢能因其高能量密度、环境友好性以及作为传统化石燃料清洁可持续替代品的潜力而受到越来越多的关注。氢能不仅作为一种清洁能源载体发挥着重要作用，还是高效利用化石燃料和大规模储存与调节可再生能源的关键技术[1],[2]。然而，氢气（H?）无色、无味且高度易燃，给实际应用带来了显著的安全风险；其较低的点火温度和宽广的易燃范围大大降低了相关系统的安全性。
在各种类型的气体传感器中[3],[4],[5],[6]，基于半导体的传感器因其低成本、紧凑体积和高便携性而备受关注。当环境中出现异常的H?浓度（例如泄漏）时，具有快速恢复能力的传感器能够立即恢复检测，从而缩短报警响应时间，为采取紧急安全措施（如启动通风系统或关闭气源）争取更多时间。因此，开发具有高稳定性和快速恢复特性的传感器至关重要。
钯（Pd）是最常用的氢敏感材料之一，其对氢分子具有高效且可逆的吸附和解离作用。其电学性质对氢引起的变化极为敏感，使得氢气的检测能够快速、灵敏且在低温下进行[7]。同时，二氧化锡（SnO?）作为一种宽带隙半导体，也具有在气体传感应用中的显著优势[8]。然而，大多数关于SnO?的研究主要集中在其响应时间和响应值上[9],[10]。在需要实时监测H?的实际情况中，具有快速恢复时间的传感器对于持续数据采集和减少因传感器滞后导致的H?浓度突然变化风险至关重要。这样的传感器能够实现快速的“检测–恢复–重新检测”循环，这对于及时发现泄漏和确保安全运行至关重要。
基于硅[11]和AlGaN/GaN[12]的功函数型氢传感器由于具备优异的稳定性、低成本和易于集成到电子电路中的特点而取得了快速进展。其中，基于AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）的氢传感器因高载流子迁移率、大的电流调制能力和高表面灵敏度而受到特别关注。其传感机制主要依赖于氢引起的栅极功函数变化对AlGaN/GaN界面处二维电子气（2DEG）的调制[13],[14]。然而，基于HEMT的氢传感器的恢复性能仍不尽如人意。钯（Pd）被广泛认为是氢传感领域的优秀材料。当用作HEMT基传感器的栅极材料时，在Pd/AlGaN界面会形成内置电场。暴露于H?时，H?分子在Pd表面解离成原子氢，并在金属-半导体界面形成偶极子，从而改变内置电场。这种界面电场的变化会影响栅极下的2DEG通道，进而改变漏极电流，实现H?的检测。然而，当使用3纳米厚的Pd层作为栅极时，传感器在500 ppm H?浓度下的恢复时间约为100秒[7]。随着H?浓度的增加或栅极厚度的增加，恢复时间也会延长；当浓度超过5000 ppm时，恢复时间稳定在约170秒，这严重阻碍了H?气体的实时检测。
在本研究中，研制了一种基于AlGaN/GaN HEMT器件并采用Pd/SnO?作为栅极材料的H?传感器。该传感器在低H?浓度下表现出优异的响应特性。通过将SnO?集成到栅极中，传感器显著提升了其恢复性能，同时保持了快速响应，从而增强了实时监测能力和检测效率。本研究为基于HEMT的H?传感器的发展提供了一种有前景的方法。
传感器制备
实验中使用的H?传感器是在AlGaN/GaN晶片上制备的。AlGaN/GaN晶片由南京纳胡新材料有限公司提供，该晶片由生长在Si (111)衬底上的AlGaN/GaN/AlGaN异质结构组成。从上到下，各层厚度分别为20纳米（AlGaN）、1.4微米（GaN）和2.8微米（AlGaN）。传感器制备的光刻过程中使用了AZ5214光刻胶。首先进行源极和漏极的图案化处理，随后...
材料表征
使用平行光束光学配置对Pd–SnO?复合样品和纯SnO?样品进行了XRD表征，以最小化衬底引起的衍射效应。为了更准确地开展XRD测量，还准备了厚度约为原样品两倍的额外样品用于相位识别。如图2(a)所示，Pd–SnO?复合样品在2θ = 40°、46.5°和67.9°处出现了三个衍射峰，分别对应于(111)、(200)和(220)晶面。
结论
本研究制备了一种基于AlGaN/GaN HEMT结构并采用Pd–SnO?栅极的H?传感器，并对其进行了系统研究。实验结果表明，该传感器在宽广的H?浓度范围（100–10,000 ppm）内表现出优异的恢复性能，最佳工作温度为120°C。特别是在低浓度下，传感器表现出出色的性能：在500 ppm H?浓度下，平均恢复时间为（24 ± 2.45）秒。此外，传感器的恢复性能得到了显著提升...
CRediT作者贡献声明
高月：指导。
严伟：指导。
田勇：指导。
周焕新：撰写——原始草稿、可视化、验证、研究、数据整理。
罗静婷：指导。
钟爱华：指导、方法学设计。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了深圳市科技计划项目（项目编号JCYJ20241202124533025）、国家自然科学基金（项目编号62071307）和广东省基础与应用基础研究基金（项目编号2025A1515011910）的支持。
周焕新目前在中国深圳大学物理学院攻读硕士学位，他的研究兴趣集中在气体传感器领域。
