3 research outputs found
Wide band gap materials and devices for NOx, H2 and O2 gas sensing applications
Im Rahmen dieser Arbeit sind Feldeffektgassensoren (Schottky Dioden, MOS
Kapazitäten, und MOSFET Transistoren) auf der Basis von Halbleitern mit
groĂźer BandlĂĽcke (Siliziumkarbid (SiC) und Gallium Nitrid (GaN), sowie
resistive Gassensoren, die auf aktiven Indiumoxid-Schichten (In2O3)
basieren, fĂĽr die Detektion von reduzierenden Gasen (H2, D2) und
oxidierenden Gasen (NOx, O2), entwickelt worden. Die Entwicklung der
Sensoren ist am Institut fĂĽr Mikro- und Nanoelektronik der Technischen
Universität Ilmenau in Zusammenarbeit mit General Electric (GE) Global
Research (USA) und der Umwelt- und Sensortechnik GmbH (Geschwenda)
durchgefĂĽhrt worden. Kapitel 1: dient als eine EinfĂĽhrung in das mit
dieser Arbeit verbundene wissenschaftliche Feld. Die theoretischen
Grundlagen der Festkörper-Gassensoren werden dargestellt. Zusätzlich werden
in diesem Kapitel die relevanten Eigenschaften der Materialien mit groĂźer
Bandlücke (SiC und GaN) präsentiert. Kapitel 2: Pt/GaN Schottky Dioden
mit verschiedener Dicke des katalytischen Metalls werden als
Wasserstoffgasdetektoren vorgestellt. Die Fläche sowie die Dicke von
Pt-gates wurden zwischen 250 × 250 µm2 und 1000 × 1000 µm2, 8 und 40 nm,
systematisch variiert. Die Sensorantwort (Sensorsreaktion) auf 1 vol.%
Wasserstoff in synthetischer Luft wurde in Abhängigkeit von der aktiven
Fläche, der Pt-Dicke, und der Betriebstemperatur untersucht. Durch Anheben
der Betriebstemperatur auf ca. 350°C und durch Reduzierung der Dicke des Pt
auf 8 nm beobachteten wir eine beträchtliche Erhöhung der Empfindlichkeit
sowie eine VerkĂĽrzung der Ansprech- und Erholzeiten. Untersuchungen am
Elektronenmikroskop zeigten, dass das dünnere Platin eine höhere
Korngrenzendichte aufwies. Die Erhöhung der Empfindlichkeit gemeinsam mit
der Reduzierung der Dicke des Pt deuten auf die Dissoziierung von
molekularem Wasserstoff an der Oberfläche, die Diffusion atomaren
Wasserstoffs entlang der Korngrenzen des Platins und die Adsorption von
Wasserstoff an der Pt/GaN Grenzfläche als ein möglicher Mechanismus der
Detektion von Wasserstoff durch Schottky Dioden hin. Die Reaktion auf
D2, NOx, and O2 von Metall-Oxid-Halbleiter (MOS) Strukturen mit Rhodium
Schottky-Kontakten mit einer Dicke von 30 nm in Abhängigkeit von der
Betriebstemperatur und der GaspartialdrĂĽcke wurde in Kapitel 3 untersucht.
Die Reaktion dieses Gates wurde als Verschiebung entlang der Spannungsachse
in der Kapazität-Spannungs Kurve (C-V) nachgewiesen. Positive und negative
Flachband-Verschiebungen jeweils bis zu 1 V wurden fĂĽr oxidierende und
reduzierende Gase beobachtet. Abhängig vom gewählten Typ des Isolators
wurden Unterschiede in den Empfindlichkeiten beobachtet. In Kapitel 4:
SiC-basierten FETs mit verschiedenen Materialien fĂĽr das Gate (Gemisch aus
Metalloxiden: Indiumoxide und Zinnoxid (InxSnyOz), Indiumoxid und
Vanadiumoxid (InxVyOz) sowie ein Gemisch aus Metalloxiden mit Zugabe einer
entsprechenden Menge Metallzusätzen) wurden als NOx, O2, und D2
Gasdetektoren untersucht. Die Reaktion auf diese Gase wurde in Abhängigkeit
von der Betriebstemperatur und der GaspartialdrĂĽcke untersucht. Die
Zusammensetzung der aktiven Metalloxid-Schicht und die Mikrostruktur der
sensitiven Gateelektrode sind die entscheidenden Parameter mit Einfluss auf
den Messmechanismus und somit die entscheidenden Leistungsparameter des
Sensors: Empfindlichkeit, Selektivität und Reaktionszeit. Durch die
Optimierung der Temperatur und des richtigen Materials des Katalysators
können Sensoren mit sehr hoher Empfindlichkeit gegenüber relevanten Gasen
realisiert werden. Wird auch der Katalysator sorgfältig ausgewählt, können
diese Erkenntnisse für eine Erhöhung der Selektivität des Sensors genutzt
werden. In Kapitel 5: Polykristalle von 200 nm Dicke und 10 nm
nanostrukturierten DĂĽnnschichten aus In2O3, die durch MOCVD
(metallorganische Gasphasenabscheidung) gewachsen sind, wurden untersucht,
um Informationen ĂĽber ihre Eigenschaften hinsichtlich der Detektion von
NOx- and O2-Gasen zu erhalten. Die Reaktion auf diese Gase wurde in
Abhängigkeit von der Betriebstemperatur und der Gaspartialdrücke
untersucht. Die Experimente in Anwesenheit verschiedener PartialdrĂĽcke des
NOx haben gezeigt, das beide DĂĽnnschichten in der Lage sind, Stickoxide zu
detektieren. Es wurde festgestellt, dass besonders die nanostrukturierte
In2O3-Dünnschicht stärker auf NOx reagiert. Dieser Effekt wird durch das
höhe Oberflächen-zu-Volumenverhältnis infolge der niedrigen Korngröße
verbessert, so dass der relative interaktive Oberflächenbereich größer und
die Dichte der Ladungsträger höher ist. Wir haben ermittelt, dass die
Reduzierung der Korngröße des messenden Materials auf unter 10 nm
erhebliche Auswirkung auf die Empfindlichkeit des Sensors hat. Die
hinsichtlich der Empfindlichkeit und Reaktion optimalen Temperaturen des
nanostrukturierten In2O3 fĂĽr den Nachweis von NOx treten im Bereich von
100-175°C auf. In diesem Temperaturbereich ist die Reaktion auf O2 sehr
schwach, was darauf hinweist, das der Sensor fĂĽr die selektive Erkennung
von NOx bei niedrigen Temperaturen sehr gut geeignet ist. Zudem wurde
festgestellt, dass die nanostrukturierte In2O3-DĂĽnnschicht fĂĽr den Einsatz
in der Erkennung niedriger PartialdrĂĽcke die optimale ist. Kapitel 6
enthält Schlussfolgerungen aus den gegenwärtigen Arbeiten. In diesem
Kapitel vergleichen wir alle untersuchten Gassensoren in Bezug auf deren
Empfindlichkeit, Selektivität und Reaktionszeit und stellen diese
anschlieĂźend den entsprechenden Ergebnissen anderer, in der
wissenschaftlichen Literatur zu findenden Autoren gegenĂĽber.In this thesis, field effect gas sensors (Schottky diodes, MOS capacitors,
and MOSFET transistors) based on wide band gap semiconductors like silicon
carbide (SiC) and gallium nitride (GaN), as well as resistive gas sensors
based on indium oxide (In2O3), have been developed for the detection of
reducing gases (H2, D2) and oxidising gases (NOx, O2). The development of
the sensors has been performed at the Institute for Micro- and
Nanoelectronic, Technical University Ilmenau in co-operation with (GE)
General Electric Global Research (USA) and Umwelt-Sensor-Technik GmbH
(Geschwenda). Chapter 1: serves as an introduction into the scientific
fields related to this work. The theoretical fundamentals of solid-state
gas sensors are provided and the relevant properties of wide band gap
materials (SiC and GaN) are summarized. In chapter 2: The performance
of Pt/GaN Schottky diodes with different thickness of the catalytic metal
were investigated as hydrogen gas detectors. The area as well as the
thickness of the Pt were varied between 250 × 250 µm2 and 1000 × 1000 µm2,
8 and 40 nm, respectively. The response to hydrogen gas was investigated in
dependence on the active area, the Pt thickness and the operating
temperature for 1 vol.% hydrogen in synthetic air. We observed a
significant increase of the sensitivity and a decrease of the response and
recovery times by increasing the temperature of operation to about 350°C
and by decreasing the Pt thickness down to 8 nm. Electron microscopy of the
microstructure showed that the thinner platinum had a higher grain boundary
density. The increase in sensitivity with decreasing Pt thickness points to
the dissociation of molecular hydrogen on the surface, the diffusion of
atomic hydrogen along the platinum grain boundaries and the adsorption of
hydrogen at the Pt/GaN interface as a possible mechanism of sensing
hydrogen by Schottky diodes. The response to deuterium D2, NOx, and O2
of metal-oxide-semiconductor (MOS) and metal-metal
oxide-oxide-semiconductor (MMOOS) structures with rhodium (Rh) gate were
investigated in dependence on the operating temperature and gas partial
pressures was investigated in chapter 3. The response of the sensor was
measured as a shift in the capacitance-voltge (C-V) curve along the voltage
axis. Positive and negative flat-band voltage shifts up to 1 V were
observed for oxidizing and reducing gases, respectively. Depending on the
type of insulator that is chosen, differences in the sensitivity of the
sensor were observed. In chapter 4: The performance of SiC-based field
effect transistors (FETs) with different gate materials (mixture of metal
oxides: indium oxide and tin oxide (InxSnyOz), indium oxide and vanadium
oxide (InxVyOz), as well as mixtures of metal oxides with metal additives)
were investigated as NOx, O2, and D2 gas detectors. The response to these
gases was investigated in dependence on the operating temperature and gas
partial pressures. The composition and microstructure of the sensing gate
electrode are the key parameters that influence the sensing mechanism, and
hence key performance parameters: sensitivity, selectivity, and response
time. By choosing the appropriate temperature and catalyst material (gate
material), devices that are significantly sensitive to certain gases may be
realized. In addition, the temperature of maximum response varies dependent
on the gas species being measured. This information, along with a careful
choice of catalyst (gate material) can be used to enhance device
selectivity. In chapter 5: Polycrystalline and nano-structured In2O3
thin films were investigated with the aim to obtain information about their
NOx and O2 gas sensing properties. The response to these gases was
investigated in dependence on the operating temperature and gas partial
pressures. The analysis in the presence of different partial pressures of
NOx has shown that both thin films are able to detect nitrogen oxide, but
their responses exhibit different characteristics. In particular,
nano-structured In2O3 thin films were found to have the higher response to
NOx. This is most probably due to the enlarged overall active surface area
of the sensing layer as a consequence of the small grain size (higher
surface to volume ratio) so that the relative interactive surface area is
larger, and the density of charged carriers per volume is higher. We have
found that reducing the grain size of the sensing material to the ~10 nm
regime can have a substantial effect on performance. The optimum detection
temperatures of the nano-structured In2O3 occur in the range of 100-175°C
for NOx considering the sensitivity as well as the response time. In this
range of temperatures the response to O2 is very low indicating that the
sensor is very suitable for selective detection of NOx at low temperatures
In addition, nano-structured In2O3 thin films were found to be more
suitable to be used in the field of application for detecting low partial
pressures. Chapter 6: offers conclusions of the current work. In this
chapter we compare also all studied gas sensors according to their
sensitivity, selectivity, and response time and then we compare them with
the related works by other authors available in the scientific literature
Investigation of nanostructured thin film based Schottky diodes for gas sensing applications
In this research, novel nanostructured thin film based Schottky diodes for gas sensing applications were developed and investigated. The author explored the sensing potential of these devices and comprehensively studied a large group of nanostructured thin films, as the gas sensing layers, with aspirations of enhancing sensor’ performance compared to the conventional based sensors. To the best of author’s knowledge, the author developed several nanostructured metal-oxide based Schottky diodes with morphologies that have not been reported previously in literature and presented the first scientific investigation of Pt/graphene-like nano-sheets/SiC based gas sensors. The nanostructured materials were deposited on SiC and GaN substrates and characterised. These materials were then applied in the fabrications of Schottky diodes and their gas sensing performance was investigated towards different gaseous species. Hydrogen gas was assessed below explosive level. Propene and NO2 gases were also sensed at above hazardous concentrations for human’s health. Two different types of sensors were investigated: Pt/nanostructured semiconducting metal-oxide and Pt/graphene-like nano-sheets devices. The operational principles of the devices as well as their gas sensing mechanisms are discussed. These sensors comprised of thin Pt layers (as both Schottky contact and catalyst) and nanostructured thin films (as the gas sensing layers), which are deposited on substrates with ohmic contacts. SiC and GaN were the selected substrates, as they are wide band semiconducting materials, making them suitable for high temperature applications. To enhance these devices’ sensitivity, author used nanostructured forms of the semiconducting metal-oxides (TiO2, SnO2, ZnO, RuO2, MoO3, WO3) and graphene-like nano-sheets. The electrical characteristics and gas sensing performance of the sensors were obtained in the presence and absence of target gas at different temperatures ranging from 25 to 620°C. The Pt/nanostructured metal-oxide based Schottky diodes exhibited a significantly lower breakdown voltage and larger lateral voltage shift upon exposure to the target gas in reverse bias mode of operation than that in forward bias as compared to conventional Schottky diodes. This was associated to the enhanced localized electric fields originating from the sharp edges and corners of the high aspect ratio nanostructures. To the best of author’s knowledge, for the first time it was shown that these enhanced localized electric fields lowered the Schottky barrier height energy at the reverse bias condition, allowing greater charge carrier flow and hence enhanced sensitivity. It was found that amongst the sensors investigated, the devices based on MoO3 nanostructures exhibited the highest sensitivity (a voltage shift of 5.7V towards 1% hydrogen) with excellent baseline stability and a fast response (t90%) of 40s. For the Pt/graphene-like nano-sheet/SiC devices, a unique theoretical approach was developed. To the best of author’s knowledge, this theoretical explanation was the first description of the behaviour of the Pt/graphene-like nano-sheet/SiC junctions. The author attributed the unusual behaviour of such junction to the semi-metal like properties of the graphene-like layer, which was placed between Pt and SiC substrate. The sensors showed response to hydrogen gas; while the response towards NO2 was not significant. Therefore, these devices could sense selectively hydrogen at the presence of NO2