CN112525954A - 一种多孔氮化镓基室温气体传感器的制备方法 - Google Patents

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CN112525954A CN202011394318.4A CN202011394318A CN112525954A CN 112525954 A CN112525954 A CN 112525954A CN 202011394318 A CN202011394318 A CN 202011394318A CN 112525954 A CN112525954 A CN 112525954A
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潘毅
陈熙
沙法·穆罕默德
柯柯
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Abstract

本发明公开了一种多孔氮化镓基室温气体传感器的制备方法，该传感器所用氮化镓薄膜可通过金属有机物化学气相沉积和氢化物气相外延法生长于蓝宝石衬底上，表面经金属催化化学腐蚀法获得孔径可调的纳米微孔，随后经1,2‑乙二硫醇(EDT)钝化处理后，利用物理沉积法在表面负载高分散铂(Pt)纳米颗粒。经该方法处理的材料具有比表面积大、活性中心稳定、传质通道多，而且成本较低，易于批量制备等优点。该基于以铂纳米粒子修饰的硫化物钝化多孔GaN材料半导体传感器，可以在室温温区同时检测H2，H2S和C2H4等多种气体，H2极限灵敏度可达65％以上。可在物联网(IoT)生态系统中的物理设备广泛应用。

Description

一种多孔氮化镓基室温气体传感器的制备方法
技术领域
本发明涉及气敏材料与气体传感器技术领域，特别是一种多孔氮化镓基室温气体传感器制备方法。
背景技术
气体传感器系统开发中的一项关键要求是它们具有以动态模式工作时能够识别和检测各种低浓度气体的能力，以用于医疗，工业，安全甚至家庭应用，并能迅速对其进行识别。其中，H2，H2S和C2H4是常见的污染物气体，对人体健康具有严重的风险。在这种情况下，具有出色的选择性，高灵敏度，快速响应，低气体可操作浓度和成本效益的统一气体传感器是当务之急。另外，必须要有一个宽广的检测范围，其中对10–1000ppm这些气体的气体传感器的开发引起了广泛的关注。因此，快速有效地监测和检测气体已成为亟待解决的问题。
已经使用了多种技术来检测和监测这些污染物，包括气相色谱-质谱，电化学生物传感器，光学方法，FTIR分析等，但这些方法都需要后期在实验室或者研究机构中进行分析处理，耗时长，检测慢，成本也比较高。
GaN作为第三代半导体的代表，直接带隙宽禁带半导体材料，具有1.9-6.2eV之间连续可变的直接带隙,还具有大的临界击穿电压，高的电子迁移率，耐酸碱，耐高温等特点，能满足下一代电子设备对功率器件大功率、高频率、小体积和高温工作的要求。目前用GaN作为气敏材料的气体传感器主要是硅基传感器，该气体传感器受限于灵敏度、功耗、检测限因素，难以在灵敏度要求较高的应用领域(如医用领域、环境检测)或者比较苛刻的条件(如：多组分气氛、高温)下保持其性能的可靠性。
作为提高气敏性能的方法，多孔结构的引入通常以显著更快的响应和更高的灵敏度来改善感测性能。由于生长氮化镓时通常是在异质衬底上外延生长，这就给外延生长的GaN带来了较高的位错密度和较大的应力，而多孔结构可以有效降低GaN内部的位错密度，缓解异质生长带来的应力影响，因此可以提高异质外延生长的GaN晶体质量，提高气敏检测性能。
湿法硫钝化是降低半导体材料表面态有效手段之一。目前，用于湿法硫钝化的钝化主要有Na2S，(NH4)2S，CH3CSNH2等，但用(NH4)2S钝化时容易产生有毒的H2S气体，用Na2S也有钠离子污染的问题，其他含硫的有机物需要的钝化时间长，需要几个小时完成钝化。而1,2-乙二硫醇(EDT)这种短碳链有机硫醇化合物作为钝化液，成本低，用时短，5分钟即可，钝化过程中不会产生有害物质，还可以大大减少化学吸附的羟基，氧化物和悬空键的不利影响。利用硫化物溶液浸泡半导体材料，S原子与半导体表面原子形成共价键，一是降低表面态密度，二是相应的硫化物层还能抑制表面再次被氧化，三是S原子形成牢固的共价键可以作为配体来连接金属离子助催化剂。
针对氮化镓气体传感器，只用单一的改性处理办法仍然难以满足高灵敏度、低功耗、低检测限的要求，因此可以采用复合的方法，集合多孔结构、钝化改性、和贵金属纳米颗粒修饰方法的优点，提高氮化镓传感器的气敏性能。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种氮化镓基气体传感器制备方法，该方法将多种提高气敏性能的方法统一结合起来，利用金属催化化学腐蚀法刻蚀气敏材料氮化镓获得多孔结构，用EDT溶液对刻蚀获得的多孔氮化镓进行钝化，然后在钝化样品表面沉积Pt纳米颗粒修饰，实现对多种气体(例如H2，H2S和C2H4)表现出显著的选择性以及敏感性。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明提供了一种氮化镓基气体传感器制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底上采用外延生长一层GaN厚膜；
步骤2：使用金属催化化学腐蚀法在制备的GaN厚膜上制备多孔氮化镓；
步骤3：将制备好多孔氮化镓的器件浸入1,2-乙二硫醇溶液中钝化；
步骤4：将钝化后的多孔氮化镓器件干燥后传入真空蒸镀室，在其表面上沉积分布比例在1％～10％的微量Pt纳米颗粒；
步骤5：在制备有Pt纳米颗粒器件的表面，采用硬掩模法制备一定厚度的电极；
步骤6：封装器件，并在混合气氛中测试多孔氮化镓的气敏性能，并标定特征参数，即得氮化镓基气体传感器。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
作为优选，所述步骤1中，采用金属有机化学气相沉积法或氢化物气相外延法生长GaN厚膜，GaN层的电阻率低于0.05Ω·cm；GaN膜的厚度为3～50μm。
作为优选，所述步骤2中，制备多孔氮化镓，GaN样品在丙酮中超声处理，用异丙醇清洗至少5min；再在样品上溅射沉积一薄层铂催化层，然后浸入硝酸在60～80℃放置10～20min，用去离子水和甲醇冲洗；再浸入质量比为2：1：2的H2O2/HF/CH3OH混合溶液中并在紫外线照射下刻蚀25～30min，孔隙率为50％～60％。
作为优选，所述步骤3中，钝化过程为，将制备好多孔氮化镓的衬底浸入体积比为HF:H2O 1:5～1:10的氢氟酸溶液中15～60s，去除表面氧化物后，用去离子水冲洗10s～20s，再浸入浓度99％以上的1,2-乙二硫醇溶液中不低于5min，之后用乙醇冲洗，氮气干燥。
作为优选，所述步骤4中，将钝化后的多孔氮化镓器件放入真空度在10-9～10- 7mbar的真空设备腔体中，在1200℃～1500℃的温度范围内沉积5～20s，器件表面沉积直径小于10nm的Pt纳米颗粒。
作为优选，所述步骤5中，制备电极的厚度为50～200nm，电极材料为Pt/Ni、Pt/Cr、Pt/Ti、Au/Ni、Au/Cr或Au/Ti。
作为优选，在23℃～60℃下、在气体浓度30-200ppm的H2、H2S和C2H4混合气氛中测试氮化镓基气体传感器的H2灵敏度响应不低于65％。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
1.本发明采用金属辅助化学刻蚀方法在氮化镓衬底上制备多孔结构，减少异质外延带来位错，缓解异质外延生长的应力，提高氮化镓晶体质量，同时高的孔隙率会提高气敏材料的比表面积，即有效面积增加，提高气敏材料的灵敏度。
2.本发明使用1,2-乙二硫醇钝化氮化镓表面，硫原子与半导体表面形成共价键，去除了表面缺陷，从而降低材料表面态密度，也降低了吸附能，导致材料的灵敏度增加和更低的检测限，而且1,2-乙二硫醇钝化材料易获得，钝化耗时短，降低了制备成本。
3.本发明使用铂纳米颗粒修饰氮化镓表面，增加气体催化位点，促进含氢气体分解为原子吸附在表面，提高材料的灵敏度。
4.本发明将气敏材料氮化镓的表面硫钝化与负载铂纳米颗粒两种提高气敏性能的方法结合在一起，铂纳米颗粒的存在会与镓和硫化物结合，它通过金属硫化物催化的氢化硫化来检测氢。使吸附在铂/钝化多孔氮化镓界面上的氢原子形成一个偶极子层，降低了势垒高度，这一反应将使钝化层更具导电性，并提高费米能级。用此材料制作的传感器会表现出更好的氢响应。
5.本发明制备的基于以铂纳米粒子修饰的硫化物钝化多孔GaN材料，可以在室温温区同时检测H2，H2S和C2H4等多种气体，极限灵敏度可达30ppm。而且可以在不同温度和气体浓度下使用，对于H2的响应灵敏度非常高，这对于H2检测具有广泛的应用前景。
6.本发明刻蚀时间与钝化时间短，成本低且容易实现。
7.经该方法处理的材料具有比表面积大、活性中心稳定、传质通道多，而且成本较低，易于批量制备等优点。该传感器制备与半导体工艺兼容，可用作物联网(IoT)生态系统中的物理设备广泛应用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是经过金属辅助化学蚀刻、1,2-乙二硫醇钝化和铂纳米颗粒修饰后，多孔GaN的器件剖面图；
图2是制备气敏传感材料的制作流程图；
图3是气敏材料在室温下对分别为30ppm和200ppm浓度H2，H2S和C2H4的响应；
图4是室温下50ppm H2、H2S和C2H4气体实际的响应和恢复时间。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明的一种氮化镓基气体传感器制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底1上外延生长GaN厚膜2。
外延生长GaN厚膜，其n型自然掺杂来源于生长过程中Cl的微量残留，GaN层的电阻率低于0.05Ω·cm；生长方法可以是金属有机物化学气相沉积(MOCVD)和氢化物气相外延(HVPE)；GaN膜的厚度为3～50μm。
步骤2：使用金属催化化学腐蚀法在制备的GaN厚膜上制备多孔氮化镓获得多孔层3。GaN样品在丙酮中超声处理，用异丙醇清洗至少5min；再在样品上溅射沉积一薄层铂催化层，然后浸入硝酸在60～80℃放置10～20min，用去离子水和甲醇冲洗；GaN样品浸入质量比为2：1：2的H2O2/HF/CH3OH混合溶液中并在紫外线照射下刻蚀25～30min，孔隙率为50％～60％。
步骤3：将制备好多孔氮化镓的器件浸入浓度99％以上的1,2-乙二硫醇溶液中钝化形成钝化层4；钝化过程为，将制备好多孔氮化镓的衬底浸入体积比为HF:H2O 1:5～1:10的氢氟酸溶液中15～60s，去除表面氧化物后，用去离子水冲洗10s～20s，再浸入浓度99％以上的1,2-乙二硫醇溶液中不低于5min，之后用乙醇冲洗，氮气干燥。
步骤4：将钝化后的多孔氮化镓器件放入真空度在10-9～10-7mbar的真空设备腔体中，在1200℃～1500℃的温度范围内沉积5～20s，器件表面沉积直径小于10nm的Pt纳米颗粒。
步骤5：在步骤4中制备的器件，使用磁控溅射系统通过硬掩模制备一定厚度的电极；制备厚度为50～200nm的纳米电极6，电极材料为Pt/Ni、Pt/Cr、Pt/Ti、Au/Ni、Au/Cr、Au/Ti。
步骤6：封装器件，在23℃～60℃下、气体浓度30-200ppm的H2，H2S，C2H4混合气氛中测试Pt/硫化物多孔GaN的气敏性能，并标定特征参数，即得氮化镓基气体传感器。
传感器在气体浓度30-200ppm、23℃～60℃下不低于65％的H2极限灵敏度响应。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明效果。
实施例1
步骤1：利用氢化物气相外延法在蓝宝石衬底上外延生长30μm的n型GaN厚膜；其n型自然掺杂来源于生长过程中Cl的微量残留，GaN层的电阻率低于0.05Ω·cm。
步骤2：使用金属催化化学腐蚀法在制备的GaN厚膜上制备多孔氮化镓；GaN样品在丙酮中超声处理，用异丙醇清洗至少5min；再在样品上溅射沉积10nm薄层铂催化层，然后浸入硝酸在65℃放置10min，用去离子水和甲醇冲洗；GaN样品浸入按照2：1：2质量比配制的H2O2/HF/CH3OH溶液中并在紫外线照射下刻蚀30min，孔隙率为55％。
步骤3：将制备好多孔氮化镓的器件浸入浓度99％以上的1,2-乙二硫醇溶液中钝化；将制备好多孔氮化镓的衬底浸入体积比为HF:H2O 1:5的氢氟酸溶液中50s，去除表面氧化物后，用去离子水冲洗20s，再浸入浓度99％以上的1,2-乙二硫醇溶液中5min，之后用乙醇冲洗，氮气干燥。
步骤4：将钝化后的多孔氮化镓器件干燥后传入真空度在10-9mbar的真空设备腔体中，在1210℃的温度沉积15s，器件表面沉积直径小于10nm的Pt纳米颗粒。
步骤5：在步骤4中制备的器件，使用磁控溅射系统通过硬掩模制备厚度为100nm的纳米电极，电极材料为Pt/Ni。
步骤6：封装器件。在23℃下、在气体浓度30ppm的H2，H2S，C2H4混合气氛中测试Pt/硫化物多孔GaN的气敏性能，并标定特征参数，即得氮化镓基气体传感器。
图1、图2显示了气体传感器的器件示意图及其制备流程。
本实施例中,实施方式采用SEM进行形态学研究，通过SEM分析软件从大量SEM图像中提取了表面孔隙率的统计信息，孔隙率评估为55％。通过X射线光电子能谱(XPS)在室温下对原始和EDT处理的Pt/多孔GaN的化学成分进行分析，检测到了分别来自于Ga—S—C和Ga—S—H两种不同成键状态的S元素的特征峰。
本实施例中，温度对各种气态浓度的Pt/硫化物多孔GaN传感器器件的灵敏度有一定影响。在三种温度23℃，40℃，60℃，不同浓度的H2，H2S和C2H4气体中，样品的响应随着温度的升高而增加。温度23℃时，H2的响应最明显，而60℃时，H2S的响应有了明显增加。温度升高灵敏度提高，样品活动区域不再吸收气体分子时，温度达到饱和阶段。与H2S和C2H4相比，样品对H2气体的响应更高。
本实施例中，对于H2，其浓度从30ppm增加到200ppm时，样品响应会急剧增加，后来随着最大信号饱和。样品在23℃，30ppm时对H2表现出显着的响应。钝化之前，在不同的气体浓度(30～300ppm)下，该响应范围为40％～59％；钝化之后，H2浓度为130ppm时，器件响应增加到90％。
实施例2
步骤1：利用氢化物气相外延法在蓝宝石衬底上外延生长50μm的n型GaN厚膜；其n型自然掺杂来源于生长过程中Cl的微量残留，GaN层的电阻率低于0.05Ω·cm。
步骤2：使用金属催化化学腐蚀法在制备的GaN厚膜上制备多孔氮化镓；GaN样品在丙酮中超声处理，用异丙醇清洗至少5min；再在样品上溅射沉积10nm薄层铂催化层，然后浸入硝酸在80℃放置10min，用去离子水和甲醇冲洗；GaN样品浸入按照2：1：2质量比配制的H2O2/HF/CH3OH溶液中并在紫外线照射下刻蚀30min，孔隙率为58％。
步骤3：将制备好多孔氮化镓的器件浸入浓度99％以上的1,2-乙二硫醇溶液中钝化；将制备好多孔氮化镓的衬底浸入体积比为HF:H2O 1:10的氢氟酸溶液中15s，去除表面氧化物后，用去离子水冲洗10s，再浸入浓度99％以上的1,2-乙二硫醇溶液中10min，之后用乙醇冲洗，氮气干燥。
步骤4：将钝化后的多孔氮化镓器件干燥后传入真空蒸镀室，真空度在10-8mbar的真空设备腔体中，在1300℃的温度沉积10s，器件表面沉积微量直径小于10nm的Pt纳米颗粒。
步骤5：在步骤4中制备的器件，使用磁控溅射系统通过硬掩模制备120纳米厚度的电极，电极材料为Au/Ni。
步骤6：封装器件。在25℃下、在气体浓度30ppm的H2，H2S，C2H4混合气氛中测试Pt/硫化物多孔GaN的气敏性能，并标定特征参数，即得氮化镓基气体传感器。
本实施例中,孔隙率评估为58％。
本实施例中，对于H2，其浓度从30ppm增加到200ppm时，样品响应会急剧增加，后来随着最大信号饱和。样品在23℃，30ppm时对H2表现出显着的响应。钝化之前，在不同的气体浓度(30～300ppm)下，该响应范围为40％～59％；钝化之后，H2浓度为30ppm时，器件响应增加到65％。室温状态三种气体的响应如图3所示。
实施例3
步骤1：利用氢化物气相外延法在蓝宝石衬底上外延生长40μm的n型GaN厚膜；其n型自然掺杂来源于生长过程中Cl的微量残留，GaN层的电阻率低于0.05Ω·cm。
步骤2：使用金属催化化学腐蚀法在制备的GaN厚膜上制备多孔氮化镓；GaN样品在丙酮中超声处理，用异丙醇清洗至少5min；再在样品上溅射沉积10nm薄层铂催化层，然后浸入硝酸在70℃放置10min，用去离子水和甲醇冲洗；GaN样品浸入按照2：1：2质量比配制的H2O2/HF/CH3OH溶液中并在紫外线照射下刻蚀30min，孔隙率为60％。
步骤3：将制备好多孔氮化镓的器件浸入浓度99％以上的1,2-乙二硫醇溶液中钝化；将制备好多孔氮化镓的衬底浸入体积比为HF:H2O 1:6的氢氟酸溶液中60s，去除表面氧化物后，用去离子水冲洗10s，再浸入浓度99％以上的1,2-乙二硫醇溶液中8min，之后用乙醇冲洗，氮气干燥。
步骤4：将钝化后的多孔氮化镓器件干燥后传入真空度在10-9mbar的真空设备腔体中，在1200℃的温度沉积20s，器件表面沉积直径小于10nm的Pt纳米颗粒。
步骤5：在步骤4中制备的器件，使用磁控溅射系统通过硬掩模制备90纳米厚度的电极，电极材料为Pt/Cr。
步骤6：封装器件。在23℃下、在气体浓度30ppm的H2，H2S，C2H4混合气氛中测试Pt/硫化物多孔GaN的气敏性能，并标定特征参数，即得氮化镓基气体传感器。
本实施例中,孔隙率评估为60％。
本实施例中，对于H2，其浓度从30ppm增加到200ppm时，样品响应会急剧增加，后来随着最大信号饱和。样品在60℃，30ppm时对H2表现出显着的响应。钝化之前，在不同的气体浓度(30～300ppm)下，该响应范围为55％～76％；钝化之后，H2浓度为60ppm时，器件响应增加到86％。
实施例4：
步骤1：利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)在蓝宝石衬底上外延生长3μm的n型GaN厚膜；其n型自然掺杂来源于生长过程中Cl的微量残留，GaN层的电阻率低于0.05Ω·cm。
步骤2：使用金属催化化学腐蚀法在制备的GaN厚膜上制备多孔氮化镓；GaN样品在丙酮中超声处理，用异丙醇清洗至少5min；再在样品上溅射沉积10nm薄层铂催化层，然后浸入硝酸在60℃放置20min，用去离子水和甲醇冲洗；GaN样品浸入按照2：1：2质量比配制的H2O2/HF/CH3OH溶液中并在紫外线照射下刻蚀25min，孔隙率为53％。
步骤3：将制备好多孔氮化镓的器件浸入浓度99％以上的1,2-乙二硫醇溶液中钝化；将制备好多孔氮化镓的衬底浸入体积比为HF:H2O 1:8的氢氟酸溶液中30s，去除表面氧化物后，用去离子水冲洗10s，再浸入浓度99％以上的1,2-乙二硫醇溶液中5min，之后用乙醇冲洗，氮气干燥。
步骤4：将钝化后的多孔氮化镓器件放入真空度在10-8mbar的真空设备腔体中，在1290℃的温度沉积10s，器件表面沉积直径小于10nm的Pt纳米颗粒。
步骤5：在步骤4中制备的器件，使用磁控溅射系统通过硬掩模制备80纳米厚度的电极6，电极材料为Au/Ti。
步骤6：封装器件。在25℃下、在气体浓度200ppm的H2，H2S，C2H4混合气氛中测试Pt/硫化物多孔GaN的气敏性能，并标定特征参数，即得氮化镓基气体传感器。
本实施例中,孔隙率评估为53％。
本实施例中，在25℃下样品对浓度为200ppm的H2，H2S和C2H4气体进行10分钟选择性测试。在200ppm的H2，H2S和C2H4气体下，样品记录的响应分别为1.80、1.50和1.04，对H2的灵敏度较高，对C2H4气体的灵敏度较低。在检测H2气体响应急剧上升；气流从H2切换为H2S之后，响应先会突然上升，在短时间间隔后，对H2S的响应变得平滑，并持续10分钟；最后在恒定温度和浓度下，检测C2H4气体显示出较弱的响应。传感器H2响应时间为34s，恢复时间则为101s，器件响应为80％
实施例5：
步骤1：利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)在蓝宝石衬底上外延生长5μm的n型GaN厚膜；其n型自然掺杂来源于生长过程中Cl的微量残留，GaN层的电阻率低于0.05Ω·cm。
步骤2：使用金属催化化学腐蚀法在制备的GaN厚膜上制备多孔氮化镓；GaN样品在丙酮中超声处理，用异丙醇清洗至少5min；再在样品上溅射沉积10nm薄层铂催化层，然后浸入硝酸在75℃放置15min，用去离子水和甲醇冲洗；GaN样品浸入按照2：1：2质量比配制的H2O2/HF/CH3OH溶液中并在紫外线照射下刻蚀25min，孔隙率为53％。
步骤3：将制备好多孔氮化镓的器件浸入浓度99％以上的1,2-乙二硫醇溶液中钝化；将制备好多孔氮化镓的衬底浸入体积比为HF:H2O 1:7的氢氟酸溶液中45s，去除表面氧化物后，用去离子水冲洗20s，再浸入浓度99％以上的1,2-乙二硫醇溶液中8min，之后用乙醇冲洗，氮气干燥。
步骤4：将钝化后的多孔氮化镓器件干燥后传入真空蒸镀室，在真空度在10-7mbar的真空设备腔体中，在1390℃的温度沉积5s，器件表面沉积直径小于10nm的Pt纳米颗粒。
步骤5：在步骤4中制备的器件，使用磁控溅射系统通过硬掩模制备50纳米厚度的电极6，电极材料为Au/Cr。
步骤6：封装器件。在60℃下、在气体浓度30ppm的H2，H2S，C2H4混合气氛中测试Pt/硫化物多孔GaN的气敏性能，并标定特征参数，即得氮化镓基气体传感器。
本实施例中,孔隙率评估为53％。
本实施例中，在60℃下样品对浓度为30ppm的H2，H2S和C2H4气体进行10分钟选择性测试。在50ppm的H2，H2S和C2H4气体下，样品记录的响应分别为2.00、1.50和1.07，对H2的灵敏度较高，对C2H4气体的灵敏度较低。在检测H2气体响应急剧上升；气流从H2切换为H2S之后，响应先会突然上升，在短时间间隔后，对H2S的响应变得平滑，并持续10分钟；最后在恒定温度和浓度下，检测C2H4气体显示出较弱的响应。传感器H2响应时间为41s，恢复时间则为108s，器件响应为91％。
实施例6：
步骤1：利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)在蓝宝石衬底上外延生长4μm的n型GaN厚膜；其n型自然掺杂来源于生长过程中Cl的微量残留，GaN层的电阻率低于0.05Ω·cm。
步骤2：使用金属催化化学腐蚀法在制备的GaN厚膜上制备多孔氮化镓；GaN样品在丙酮中超声处理，用异丙醇清洗至少5min；再在样品上溅射沉积10nm薄层铂催化层，然后浸入硝酸在60℃放置10min，用去离子水和甲醇冲洗；GaN样品浸入按照2：1：2质量比配制的H2O2/HF/CH3OH溶液中并在紫外线照射下刻蚀30min，孔隙率为58％。
步骤3：将制备好多孔氮化镓的器件浸入浓度99％以上的1,2-乙二硫醇溶液中钝化；将制备好多孔氮化镓的衬底浸入体积比为HF:H2O1:9的氢氟酸溶液中25s，去除表面氧化物后，用去离子水冲洗10s，再浸入浓度99％以上的1,2-乙二硫醇溶液中5min，之后用乙醇冲洗，氮气干燥。
步骤4：将钝化后的多孔氮化镓器件干燥后传入真空蒸镀室，在真空度在10-8mbar的真空设备腔体中，在1300℃的温度沉积12s，器件表面沉积直径小于10nm的Pt纳米颗粒。
步骤5：在步骤4中制备的器件，使用磁控溅射系统通过硬掩模制备200纳米厚度的电极6，电极材料为Pt/Ni。
步骤6：封装器件。在23℃下、在气体浓度30ppm的H2，H2S，C2H4混合气氛中测试Pt/硫化物多孔GaN的气敏性能，并标定特征参数，即得氮化镓基气体传感器。
本实施例中,孔隙率评估为58％。
本实施例中，如图4所示，在室温下样品对浓度为30ppm的H2，H2S和C2H4气体进行10分钟选择性测试。在30ppm的H2，H2S和C2H4气体下，样品记录的响应分别为1.60、1.20和1.01，对H2的灵敏度较高，对C2H4气体的灵敏度较低。在检测H2气体响应急剧上升；气流从H2切换为H2S之后，响应先会突然上升，在短时间间隔后，对H2S的响应变得平滑，并持续10分钟；最后在恒定温度和浓度下，检测C2H4气体显示出较弱的响应。传感器H2响应时间为47s，恢复时间则为113s，器件响应为69％。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种多孔氮化镓基室温气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底上采用外延生长一层GaN厚膜；
步骤2：使用金属催化化学腐蚀法在制备的GaN厚膜上制备多孔氮化镓；
步骤3：将制备好多孔氮化镓的器件浸入1,2-乙二硫醇溶液中钝化；
步骤4：将钝化后的多孔氮化镓器件干燥后传入真空蒸镀室，在其表面上沉积分布比例在1％～10％的微量Pt纳米颗粒；
步骤5：在制备有Pt纳米颗粒器件的表面，采用硬掩模法制备一定厚度的电极；
步骤6：封装器件，并在混合气氛中测试多孔氮化镓的气敏性能，并标定特征参数，即得氮化镓基气体传感器。
2.根据权利要求1所述的一种多孔氮化镓基室温气体传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，采用金属有机化学气相沉积法或氢化物气相外延法生长GaN厚膜，GaN层的电阻率低于0.05Ω·cm；GaN膜的厚度为3～50μm。
3.根据权利要求1所述的一种多孔氮化镓基室温气体传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，制备多孔氮化镓，GaN样品在丙酮中超声处理，用异丙醇清洗至少5min；再在样品上溅射沉积一薄层铂催化层，然后浸入硝酸在60～80℃放置10～20min，用去离子水和甲醇冲洗；再浸入质量比为2：1：2的H2O2/HF/CH3OH混合溶液中并在紫外线照射下刻蚀25～30min，孔隙率为50％～60％。
4.根据权利要求1所述的一种多孔氮化镓基室温气体传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，钝化过程为，将制备好多孔氮化镓的衬底浸入体积比为HF:H2O 1:5～1:10的氢氟酸溶液中15～60s，用去离子水冲洗10s～20s，再浸入1,2-乙二硫醇溶液中不低于5min，之后用乙醇冲洗，氮气干燥。
5.根据权利要求4所述的一种多孔氮化镓基室温气体传感器的制备方法，其特征在于，1,2-乙二硫醇溶液质量浓度在99％以上。
6.根据权利要求1所述的一种多孔氮化镓基室温气体传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，将钝化后的多孔氮化镓器件放入真空度在10-9～10-7mbar的真空设备腔体中，在1200℃～1500℃的温度范围内沉积5～20s，器件表面沉积直径小于10nm的Pt纳米颗粒。
7.根据权利要求1所述的一种多孔氮化镓基室温气体传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，制备电极的厚度为50～200nm，电极材料为Pt/Ni、Pt/Cr、Pt/Ti、Au/Ni、Au/Cr或Au/Ti。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种多孔氮化镓基室温气体传感器的制备方法，其特征在于，在23℃～60℃下、在气体浓度30-200ppm的H2、H2S和C2H4混合气氛中测试氮化镓基气体传感器的H2灵敏度响应不低于65％。
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