Studies of electronic and sensing properties of epitaxial InP surfaces for applications in gas sensor devices

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Submitted on 9 Jan 2014

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Studies of electronic and sensing properties of epitaxial

InP surfaces for applications in gas sensor devices

Katarzyna Wierzbowska

To cite this version:

Katarzyna Wierzbowska. Studies of electronic and sensing properties of epitaxial InP surfaces for applications in gas sensor devices. Electronics. Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2007. English. �NNT : 2007CLF21807�. �tel-00926562�

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Mojemu synowi,

ukochanym rodzicom i bratu,

Raphaelowi,

oraz moim bliskim.

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Résumé

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 tout 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 de type 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 clefs : 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, 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.

Abstract

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.

Keywords: 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.