Mos structure-based hydrogen sensor and integration methods to FDSOI transistor technology

Abstract

Abstract: hydrogen can be used as an energy carrier (storage) by the renewable energy industry as well as the automotive industry (fuel cell). Other industries already use hydrogen such, food processing and petroleum refineries. Hydrogen is odorless, transparent, and has a lower explosive limit of 4 %. Reliable, fast sensor are essential tools for a hydrogen safe environment. The work of this thesis provides a semiconductor-based hydrogen sensing solution. A MOS capacitor using a CMOS compatible novel Pt/Ti/ALD-Al2O3/p-Si stack. The Pt/Ti/Al2O3 sensing interface materials thicknesses are 100/5/38 nm respectively. The device can detect very low concentrations < 20 ppm. Furthermore, for a concentration of 500 ppm the response time is 56 s. the impact of testing conditions such temperature, and total gas flow have been studied. Results show that at 60℃ the device does not respond to hydrogen. And at 80℃ or higher the sensing response time is significantly reduced with increasing temperature. Furthermore, the total gas flow has an impact on the device response time and shows that a portion of the time response delay can be attributed to the chamber’s volume. Moreover, a heterogeneous integration method has been designed and presented. The latter represents a great tool for a flexible prototyping of sensors using FDSOI transistor technology. The integration has been simulated and results show promising results. The capacitive coupling feature in the FDSOI between the front and back gate is used to amplify the potential variation at the front gate. For instance, a 0.3 V hydrogen induced dipole potential can be amplified by a factor of 14 x.

Le travail de cette thèse comprend la conception et la fabrication d’une technologie de capteur d’hydrogène basée sur une structure MOS. La structure est composée d’un empilement de Pt/Ti/Al2O3/p-Si. Les épaisseurs des matériaux utilisés pour la fabrication sont 100/5/38 nm (Pt/Ti/Al2O3) sur un substrat de silicium. Le capteur est capable de détecter de très faibles concentrations < 20 ppm. De plus, pour une concentration de 500 ppm, le temps de réponse est 56 s. L’impact de plusieurs conditions de test, comprenant la température et le débit total dans la chambre a été évalué. Les résultats montrent qu’à 60℃ le dispositive n’est pas capable de détecter la présence d’hydrogène. Cependant, à partir d’une température de 80℃, la réponse est très importante et le temps diminue pour encore des températures plus élevées. Le débit total dans la chambre a aussi démontré un impact sur le temps de réponse du capteur. Ce qui est aussi relié au volume de la chambre. Une intégration hétérogène ensuite a été conçue et présentée. Cette dernière est un outil flexible pour le prototypage avec des technologies de transistor FDSOI. L’intégration des deux dispositifs a été effectuée et montre de résultats prometteurs. Le couplage capacitif entre la grille avant et la grille arrière du transistor FDSOI permet d’amplifier le signal du capteur. Par exemple, une variation de potentiel de 0.3 V peut être amplifier par un facteur de 14 x, donc 4.19 V.