Studies of electronic and sensing properties of epitaxial InP surfaces for applications in gas sensor devices
Résumé
The aim of this Thesis was a realization and a characterization of a novel nitrogen dioxide (NO2) sensor on the base of n-type indium phosphide (InP) epitaxial layers. First, a short survey through the air pollutants as well as their detection and monitoring methods is presented. After, the physical and chemical properties of InP (taken from literature) are detailed. In the experimental part, the description as well as the fabrication method of the gas sensor devices with different n-InP layer thickness (from 0.2 to 0.4 μm) are shown. The results of the tests under NO2 (less than 50 ppb) as well as the results of the tests at different temperatures for different sensor series are also given. The methods and results of chemical characterization, like X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Auger electron spectroscopy (AES) combined with ion sputtering and Atomic Force Microscopy (AFM) are presented and applied in order to get the in-depth composition profile of InP native oxides; before and after gas action. The obtained results by Van der Pauw method are also presented i.e., the charge carrier concentration before and after action of NO2. Finally, theoretical analysis of the influence of surface states and temperature on the electronic parameters of the InP near-surface region was also performed. Both experimental data and theoretical analysis showed the influence of InP native oxide layer on the sensing mechanism and surface phenomena (surface Fermi level pinning, sensor stability, etc.) of InP. The results of the theoretical and experimental analysis are coherent and allow to develop a model of the gas action on the n-InP epitaxial layers.
Cette thèse est consacrée à l'étude de la physico-chimie des structures électroniques et microélectroniques à base de phosphure d'indium (InP). Le contexte scientifique de cette étude est d'abord abordé dans une description de la pollution atmosphérique ainsi que de sa métrologie. Les propriétés physico-chimiques et électroniques de InP sont particulièrement détaillées. Les structures des capteurs de gaz en cours de développement pour cette application sont ensuite répertoriées. Les méthodes de caractérisation chimique (spectroscopie de surface XPS et Auger, microscopie à force atomique AFM) et électronique (Van der Pauw) ainsi que l'analyse théorique des propriétés électroniques des couches minces sont également présentées. Enfin, des mesures en laboratoire à température et concentration variables de NO2 proches de celles rencontrées dans une atmosphère urbaine sont présentées. Les résultats obtenus suite à l'analyse théorique et aux différentes expériences ont montré le rôle prédominant des oxydes natifs présents à la surface de InP sur les réponses des capteurs. Ces derniers interviennent également sur la stabilité de la réponse aux gaz, tout comme leurs propriétés physico-chimiques. Les résultats des caractérisations électroniques et chimiques corroborent les résultats des essais des capteurs et permettent une modélisation de l'action du gaz sur InP
Mots clés
NO2 gas sensor
InP epitaxial layers
III-V semiconductor
surface states
theoretical calculations
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)
Auger electron spectroscopy (AES)
electron mobility
charge carrier concentration
Hall effect
Van der Pauw method.
matériaux semi-conducteurs
caractérisation électronique des couches minces (méthode Van der Pauw
mobilité des électrons
nombre de porteurs)
états de surface
structures de capteur de gaz
calcul numérique.
InP
épitaxie par jets moléculaire (MBE)
modélisation de la physique et chimique des structures électroniques et microélectroniques à base d'InP
spectroscopie de surface de type XPS et Auger