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Conférence invitée; International audience

Conférence invité; International audience

International audience; In this work, we report on AlGaN/GaN HEMT sensors for acetone concentration below 100 ppm and in a broad range of the sensor temperature varying from RT to 300 • C. At RT, in presence of acetone, a smooth and monotonic decrease of the current is observed with a rather large response of 15 µA/ppm and with large response time (several minutes) and memory effect. At high temperature (300 • C), a current decrease is first observed just after the acetone injection and then followed by an increase which saturates and stabilizes at a constant value. In order to clarify this unexpected behaviour, a detailed study of the sensors response versus the temperature and acetone injection flow has been carried out. The outcome of this investigation is that a competition between the current variations induced by both the sensor and gas flow temperature difference from one side and acetone dipolar moment from the other side can explain this transient. Our study highlights that AlGaN/GaN HEMTs-based sensors allow for very sensitive acetone detection at both room and high temperature. Nevertheless, care must be taken during the characterization and operation of such sensors especially at high operating temperature. On the other hand, high temperature operation helps to improve the sensor response suppress the memory effect.

A wireless sensor for detection or measurement of at least one specific component present in a gaseous or liquid mixture, the gas sensor including at least one sensor cell, having a high-electron-mobility transistor having a source and a drain with a gate intercalated between source and drain. The at least one sensor cell having a high-electron-mobility transistor is associated with at least one split-ring resonator with at least one respective slit and connected between, on the one hand, the drain and on the other hand, the gate or the source of the at least one sensor cell, the sensor detecting a change in the intensity or the frequency of resonance as a function of the presence and/or of the concentration of the at least one specific component in the gaseous or liquid mixture.

The work of the thesis focuses on the development of a new type of gas sensors based III-Nitride semiconductor materials (gallium nitrides). These materials have many advantages that could be used to develop sensitive and selective NOx sensors for the control of pollution emitted by diesel exhaust line. To limit the polluting gases emitted by internal combustion engines in general and diesel in particular (NO, NO2, NH3, CO, ...), different European standards have been established. To meet these standards, anti-pollution systems (consisting of particle filters, catalysts, NOx sensors, ... etc) are used. NOx sensors currently used in automobiles are based on a solid electrolyte. Their operation is based on the measurement of the oxygen concentration. This enables an estimate of the total concentration of NOx gas (indirect measurement) after filtering NOx from O2 and decomposing NOx into O2. These sensors do not detect NH3 at the outlet of the exhaust line, and do not give accurate information on the relationship between NO and NO2 (lack of selectivity) which is important factor for an optimal functioning of selective catalyst (SCR performance improvement). Hence there exists a need for a more efficient and selective in particular gas sensor to improve the control systems, post-treatment and diagnosis. Our approach is to use a HEMT (High Electron Mobility Transistor) transistor based on gallium nitride with a combination of a functional layer instead of the gate. The interaction of the gas molecules with the functional layer gives a signature (output signal variation) specific for each type of gas that helps to improve the selectivity. The project contains two parts: the optimization of the chosen structure and the optimization of the functional layer in order to achieve selective detection between various gaseous pollutants. This technology is interesting for development of gas sensors through the possibility of detection low voltage variations and the possibility of operating in harsh environments. The thesis is part of OpenLab "Materials and Processes" in a collaboration between Georgia Tech-CNRS laboratory and the PSA Peugeot-Citroen Group; Le travail de la thèse s’articule sur le développement d’un nouveau type de capteurs de gaz à base des matériaux semi-conducteurs III-Nitrure (Les nitrures de gallium). Ces matériaux présentent de nombreux avantages qui pourraient être utilisées pour concevoir des capteurs NOx sensibles et sélectifs pour le contrôle des pollutions émises par la ligne d’échappement Diesel. Afin de limiter et déduire les gaz polluants émis par les moteurs à explosion en générale et les moteurs Diesel en particuliers (NO, NO2, NH3, CO, …), différentes normes européennes ont été établies. Pour respecter ces normes, plusieurs modifications sur les moteurs et les lignes d’échappement des véhicules ont été effectuées (filtres à particules, catalyseurs, capteurs NOx, …). Les capteurs NOx utilisés actuellement sont à base d’électrolyte solide. Ils sont basés dans leur fonctionnement sur la mesure de la concentration d’oxygène présente dans le gaz d’échappement qui permet de son tour l’estimation de la concentration totale des gaz NOx (mesure indirecte). Ces capteurs ne détectent pas le NH3 à la sortie de la ligne d’échappement, et ne donnent pas une information précise sur le rapport entre NO et NO2 (manque de sélectivité) qui est un facteur important pour le bon fonctionnement de catalyseur sélectif SCR (amélioration de rendement) ; d’où la nécessité d’un capteur de gaz plus performant et en particulier sélectif afin d’améliorer les systèmes de contrôle, de post-traitement et de diagnostic. Notre approche consiste à utiliser un transistor HEMT (High Electron Mobility Transistor) à gaz bidimensionnel d’électrons à base de nitrure de Gallium avec l’association d’une couche fonctionnelle à la place de la grille. L’interaction des molécules de gaz avec cette couche fonctionnelle donne une signature (variation de signal de sortie) spécifique pour chaque type de gaz qui aide à l’amélioration de la sélectivité. Le projet contient deux parties : l’optimisation de la structure choisie et l’optimisation de la couche fonctionnelle afin d’obtenir une détection sélective entre les différents gaz polluants. Cette technologie est intéressante pour développer des capteurs de gaz grâce aux possibilités de détecter des faibles variations de tensions et aux possibilités de fonctionnement dans des environnements sévères. La thèse de doctorat s’inscrit dans le cadre de l’OpenLab materials and processes en collaboration entre le laboratoire Georgia-Tech lorraine et l’entreprise Peugeot-Citroën PSA

International audience

The work of the thesis focuses on the development of a new type of gas sensors based III-Nitride semiconductor materials (gallium nitrides). These materials have many advantages that could be used to develop sensitive and selective NOx sensors for the control of pollution emitted by diesel exhaust line. To limit the polluting gases emitted by internal combustion engines in general and diesel in particular (NO, NO2, NH3, CO, ...), different European standards have been established. To meet these standards, anti-pollution systems (consisting of particle filters, catalysts, NOx sensors, ... etc) are used. NOx sensors currently used in automobiles are based on a solid electrolyte. Their operation is based on the measurement of the oxygen concentration. This enables an estimate of the total concentration of NOx gas (indirect measurement) after filtering NOx from O2 and decomposing NOx into O2. These sensors do not detect NH3 at the outlet of the exhaust line, and do not give accurate information on the relationship between NO and NO2 (lack of selectivity) which is important factor for an optimal functioning of selective catalyst (SCR performance improvement). Hence there exists a need for a more efficient and selective in particular gas sensor to improve the control systems, post-treatment and diagnosis. Our approach is to use a HEMT (High Electron Mobility Transistor) transistor based on gallium nitride with a combination of a functional layer instead of the gate. The interaction of the gas molecules with the functional layer gives a signature (output signal variation) specific for each type of gas that helps to improve the selectivity. The project contains two parts: the optimization of the chosen structure and the optimization of the functional layer in order to achieve selective detection between various gaseous pollutants. This technology is interesting for development of gas sensors through the possibility of detection low voltage variations and the possibility of operating in harsh environments. The thesis is part of OpenLab "Materials and Processes" in a collaboration between Georgia Tech-CNRS laboratory and the PSA Peugeot-Citroen Group, Le travail de la thèse s’articule sur le développement d’un nouveau type de capteurs de gaz à base des matériaux semi-conducteurs III-Nitrure (Les nitrures de gallium). Ces matériaux présentent de nombreux avantages qui pourraient être utilisées pour concevoir des capteurs NOx sensibles et sélectifs pour le contrôle des pollutions émises par la ligne d’échappement Diesel. Afin de limiter et déduire les gaz polluants émis par les moteurs à explosion en générale et les moteurs Diesel en particuliers (NO, NO2, NH3, CO, …), différentes normes européennes ont été établies. Pour respecter ces normes, plusieurs modifications sur les moteurs et les lignes d’échappement des véhicules ont été effectuées (filtres à particules, catalyseurs, capteurs NOx, …). Les capteurs NOx utilisés actuellement sont à base d’électrolyte solide. Ils sont basés dans leur fonctionnement sur la mesure de la concentration d’oxygène présente dans le gaz d’échappement qui permet de son tour l’estimation de la concentration totale des gaz NOx (mesure indirecte). Ces capteurs ne détectent pas le NH3 à la sortie de la ligne d’échappement, et ne donnent pas une information précise sur le rapport entre NO et NO2 (manque de sélectivité) qui est un facteur important pour le bon fonctionnement de catalyseur sélectif SCR (amélioration de rendement) ; d’où la nécessité d’un capteur de gaz plus performant et en particulier sélectif afin d’améliorer les systèmes de contrôle, de post-traitement et de diagnostic. Notre approche consiste à utiliser un transistor HEMT (High Electron Mobility Transistor) à gaz bidimensionnel d’électrons à base de nitrure de Gallium avec l’association d’une couche fonctionnelle à la place de la grille. L’interaction des molécules de gaz avec cette couche fonctionnelle donne une signature (variation de signal de sortie) spécifique pour chaque type de gaz qui aide à l’amélioration de la sélectivité. Le projet contient deux parties : l’optimisation de la structure choisie et l’optimisation de la couche fonctionnelle afin d’obtenir une détection sélective entre les différents gaz polluants. Cette technologie est intéressante pour développer des capteurs de gaz grâce aux possibilités de détecter des faibles variations de tensions et aux possibilités de fonctionnement dans des environnements sévères. La thèse de doctorat s’inscrit dans le cadre de l’OpenLab materials and processes en collaboration entre le laboratoire Georgia-Tech lorraine et l’entreprise Peugeot-Citroën PSA