Design and fabrication of Gallium Nitride based emission gas sensors for automotive application
Conception et réalisation de capteurs de gaz antipollution à base de Nitrure de Gallium pour application automobile
Résumé
Gallium nitride (GaN) is a wide band gap semiconductor material with exceptional physical properties. It is highly coveted for the realization of devices in power electronics switching or high frequency in addition to being able to operate at high temperature. In this context,GaN-based HEMT-type high mobility transistors have been used to make gas sensors in order to accurately and rapidly detect several types of automotive pollutants (NO,NO2,NH3). To achieve that, several catalysts such as platinum (Pt), palladium or iridium have been used as sensitive electrodes while forming the gate control of the transistor. Explicit, the proximity of 2-dimensional electron gas just below the surface of this electrode ensures the high sensitivity of the sensor. However, several concepts shall be demonstrated as well as several technological locks have to be taken before being able to integrate them in a motor vehicle. The main objective of this thesis consists of designing, and fabricating of highly sensitive, selective and stable gas sensor arrays GaN-based, for continuous operation up to 600◦C. These packaged sensors once optimized, they will be arranged on either side of the particle filter ofa motor vehicle of the PSA group. The first step was to design, fabricate and choose among several sensor topologies (rectilinear, circular and serpentine), to analyze them under a given target gas diluted or not in nitrogen (O2,H2...) to temperatures ranging from 300◦C to 500◦C. This work led to the design and implementation of several highly sensitive and fast electronic nose topologies for several N2-diluted targets (NO,NO2,NH3) gases optimized to operate ata specific temperature. The last part of this work consisted of the design and fabrication of sensors network thatcan operate directly in its environmental conditions which is the motor vehicle. In this case,it was necessary to take into account that, the presence of other oxidizing and reducing gases(CO,HC, etc.) could adversely affect the performance of our gas detectors. We then opted for the design, manufacture and optimization of selective sensors that can operate continuously at 600◦C. The addition of one or more amperometric cells (Pt−Y SZ−Pt), a cavity and acatalytic filter makes it possible on the one hand to eliminate the interference generated byother reducing gases, in particular, the monoxide carbon (CO), hydrogen (H2), hydrocarbons(CxHy) and secondly to exclusively quantify the desired target gases NO,NO2,O2 and NH3. This work is part of the CLEANING project and brings together different partners :Georgia-Tech Lorraine (Metz-France) for the synthesis of epitaxies based on gallium nitride, the IEMN/LN2 for the design and the cleanroom fabrication of sensor and electronic nose networksand for all packaging aspects in hostile environments.
Le nitrure de gallium (GaN) est un semi-conducteur à large bande interdite ayant des propriétés physiques exceptionnelles. C'est un matériau très convoité pour la réalisation de dis-positifs en électronique de puissance RF ou de commutation, en plus de pouvoir être fonctionne là haute température. Dans ce cadre, des transistors à haute mobilité de type HEMT à base de GaN sont mis à profits pour réaliser des capteurs de gaz afin de détecter avec précision et rapidité plusieurs types de polluants automobiles (NO,NO2,NH3). Pour se faire, plusieurs catalyseurs (Pt,Pd,Ir) sont utilisés comme électrodes sensibles tout en formant la commande d'une grille de transistor flottante. La proximité d'un gaz d'électrons à 2 dimensions juste sous la surface de cette électrode, assure la haute sensibilité du dit capteur.Cependant, plusieurs concepts sont à démontrer et plusieurs verrous technologiques restent à relever avant de pouvoir les intégrer dans la ligne d'échappement d'un véhicule automobile.Dans ce contexte, ce travail a pour objectif la conception et la fabrication de réseaux de capteurs de gaz à base de GaN, hautement sensibles, sélectifs et stables pour un fonctionnement en continu jusqu'à 600◦C. Ces capteurs packagé une fois optimisés, sont disposés de part et d'autre du filtre à particule d'un véhicule automobile du groupe PSA. La première étape a été de concevoir, de fabriquer et de choisir parmi plusieurs topologies de capteurs (rectiligne, circulaire et serpentin), de les analyser sous un gaz cible donné (O2,H2) dilué ou pas dans de l'azote et pour des températures de fonctionnement variant de 300◦C à 550◦C. Ce travail a donné lieu à la conception et à la réalisation de plusieurs topologies de nez électronique, hautement sensibles et très rapides relatifs à plusieurs autres gaz cibles (NO,NO2,NH3) dilués sous N2 et optimisés pour fonctionner à une température spécifique.La dernière partie de ce travail a consisté à concevoir et à fabriquer des réseaux de capteurs pouvant fonctionner dans des conditions réelles directement dans son environnement qu'est le véhicule automobile. Dans ce cas, il a fallu prendre en considération la présence d'autres gaz oxydant et réducteur (CO,HC. . . ) pouvant nuire aux performances de nos détecteurs de gaz.Nous avons alors opté pour la conception, la fabrication et l'optimisation de capteurs sélectifs pouvant fonctionner en continu à 600◦C. L'ajout d'une ou plusieurs cellules ampérométrique(Pt−Y SZ−Pt), d'une cavité et d'un filtre catalytique permettent d'une part d'éliminer les interférences générées par d'autres gaz réducteurs, en particulier le monoxyde de carbone (CO),l'hydrogène (H2), les hydrocarbures (CxHy) et d'autre part, de quantifier exclusivement les gaz cibles désirés NO,NO2,O2 et NH3. Ce travail entre dans le cadre du projet ANR CLEANING et regroupe différents partenaires :Georgia-Tech Lorraine (Metz-France) pour la synthèse des épitaxies à base de nitrure de gallium, l'IEMN/LN2 pour la conception et la fabrication en salle blanche des réseaux de capteurs et nez électronique et pour tous les aspects packaging en environnement hostiles.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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