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Nanokristalline Graphen-Feldeffekttransistoren für Gassensor-Anwendungen

Noll, Dennis :
Nanokristalline Graphen-Feldeffekttransistoren für Gassensor-Anwendungen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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2019-09-24_Noll_Dennis.pdf - Accepted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Nanokristalline Graphen-Feldeffekttransistoren für Gassensor-Anwendungen
Language: German
Abstract:

Insbesondere seit Inkrafttreten der ersten Immissionsschutzregelungen zum Schutze der Gesundheit in den 1970er Jahren hat die Bedeutung der Überwachung von gesundheitsschädlichen, toxischen Gasen in der Luft zugenommen [1]. Des Weiteren gibt es zunehmende Bestrebungen, durch die Detektion von bestimmten Gasmolekülen im menschlichen Atem Tumorerkrankungen frühzeitig zu erkennen [2]. Damit einhergehend steht ein immer höherer Bedarf an Gassensoren, welche die geringen Konzentrationen im parts-per-million- bis parts-per-trillion-Bereich der Schadstoffe selektiv detektieren und überwachen können [3]. Für diese Aufgabe werden derzeit zumeist Taguchi Metalloxid-Halbleitersensoren verwendet [4], welche eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit unter Einfluss von bestimmten Gasen zeigen. Diese benötigen jedoch hohe Betriebstemperaturen (T > 300 ◦C ≈ 573K), um annehmbare Reaktionsgeschwindigkeiten zu erzielen und besitzen nur eine beschränkte Selektivität [5, Kap. 18]. Um geringere Konzentrationen an Schadstoffen bei gleichbleibender oder verbesserter Reaktionsgeschwindigkeit und Selektivität aufzulösen, werden neuartige Sensormaterialien benötigt. Einen entscheidenden Faktor, um geringe Detektionsschwellen zu erreichen, stellt das Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis dar. Aus diesem Grunde stellt das im Jahre 2004 entdeckte Material Graphen [6], eine in hexagonaler Kristallstruktur zweidimensional ausgeprägte Kohlenstoffschicht, einen hervorragenden Kandidaten für zukünftige Gassensoren dar. Schedin et al. konnten so bereits im Jahre 2007 an einer mechanisch exfolierten Graphenfl ocke die Detektion von einzelnen Schadstoffmolekülen nachweisen [7]. Nichtdestotrotz stellt die mechanische Exfoliation von Graphen keinen für die Massenanwendung tauglichen Herstellungsansatz dar. Ziel dieser Arbeit ist die Silicium (Si)-CMOS-kompatible Herstellung von Graphen-Feldeffekttransistoren (GFETs) und deren Optimierung für Gassensor-Anwendungen. Hierfür wurde der von P.J. Wessely entwickelte Prozess der Herstellung von GFETs durch die in situ katalytisch-chemische Gasphasenabscheidung (CCVD) optimiert, wodurch selbstjustierte nanokristalline Graphen-Feldeffekttransistoren (nGFETs) mit größeren nominellen Kanallängen hergestellt werden können. Das nanokristalline Graphen (nG) wurde durch eine ausführliche Materialcharakterisierung, bestehend aus topologischer Rasterkraftmikroskopie (AFM), Strom-Spannungs-Rasterkraftmikroskopie (CS-AFM), Raman-Spektroskopie, sowie einer vergleichenden Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS)-Studie analysiert. Die nGFETs zeigen ein ambipolares elektrisches Verhalten und ein von der umgebenden Atmosphäre abhängiges Stromverhältnis I_p,on / I_Dirac . Bei reduzierten Druckbedingungen wurde in einem selbstkonstruierten Vakuum-Wafertestsystem durch Messungen im passiven Betrieb der nGFETs die Veränderung des Stromflusses zwischen Drain und Source unter Exposition zu verschiedenen Gasen charakterisiert. Dabei konnten hohe Sensitivitäten der nGFETs für Ammoniak (NH3), Stickstoffdioxid (NO2) und Kohlenmonoxid (CO) festgestellt werden. Im aktiven Betrieb der nGFETs wurden durch Messungen der Eingangskennlinien die für die Gassensitivität verantwortlichen physikalischen Mechanismen identifiziert. Aus den elektrischen Eigenschaften der nGFETs und den physikalischen Mechanismen der Gassensitivität wurden außerdem mehrere Selektivitätskriterien erarbeitet, woraus sich die Möglichkeit der Differenzierung verschiedener Gasarten ergibt. Die Arbeit gliedert sich dabei wie folgt: In Kapitel 1 werden zunächst die theoretischen Grundlagen von Graphen, Halbleiterbauelementen und den verwendeten technologischen Verfahren betrachtet. Im 2. Kapitel werden die angewandten Versuchsreihen, welche zur Optimierung des in situ CCVD Graphen führen, beschrieben, gefolgt von einer ausführlichen Behandlung der Materialcharakterisierung des nanokristallinen Graphen in Kapitel 3. Die Massenherstellung von nGFETs via in situ CCVD wird in Kapitel 4 demonstriert. Daraufhin folgen in Kapitel 5 eine elek trische Charakterisierung der nGFETs unter Vakuumbedingungen und erste Untersuchungen zur Zuverlässigkeit und Stabilität für Gassensor-Anwendungen. Nachfolgend wird in Kapitel 6 das Gasdetektionsvermögen der nGFETs unter Vakuumbedingungen betrachtet und eine Möglichkeit der selektiven Detektion von einzelnen Gasarten vorgestellt. Schlussendlich wird in Kapitel 7 eine Zusammenfassung mit Ausblick für zukünftige Entwicklungsmöglichkeiten gegeben.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
As the first immission protection laws for the protection of human health came into effect in the 1970s, the surveillance of harmful, toxic gases in the atmospheric environment has become more important increased [1]. Furthermore, there are increasing efforts to detect certain gas molecules in human breath for the early diagnosis of tumors [2]. Associated with that, an increasing demand of gas sensors able to selectively detect and monitor low concentrations of toxic gases in the parts-per-million to parts-per-trillion range has been noticed [3]. The most common choice for this application are Taguchi-type semiconductor sensors [4]. These sensors based on metal oxides show a change in electric conductance upon gaseous infl uence. However, these sensors require operation temperatures higher than T > 300◦C ≈ 573K and exhibit limited reaction speed and selectivity [5, Chap. 18]. In order to resolve even lower concentrations of toxic gases, new gas sensors are required. An important measure to achieve low detection limits is the surface-to-volume ratio of the sensing material. Graphene, a material discovered only in 2004, is a single layer of a two-dimensional carbon sheet bonded in a hexagonal crystal structure [6]. For that reason graphene, turns out to be an excellent candidate for future gas sensors. Already in 2007 Schedin et al. were able to demonstrate the detection of single toxic gas molecules by using a single exfoliated graphene flake [7]. However, exfoliation of graphene is no suitable approach for the mass fabrication of graphene devices. Goal of this work is the silicon CMOS compatible fabrication of graphene field-effect-transistors (GFETs) and their optimization in respect of gas sensing applications. For this purpose, the process of the in situ catalytic chemical vapor deposition (CCVD) fabrication of GFETs developed by P.J. Wessely has been optimized to achieve self adjusted nanocrystalline graphene field-effect-transistors (nGFETs) that can exhibit longer nominal channel lengths. An extensive materials characterization consisting of topologic atomic force microscopy (AFM), conductive atomic-force-microscopy (CS-AFM), Raman spectroscopy and a comparative near edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) study has been done for nanocrystalline graphene (nG). The nGFETs show an ambipolar electrical behavior with a current ratio I_p,on / I_Dirac dependent on the surrounding atmospherical conditions. A self-constructed vacuum wafer probing station has been built to analyze the gas influence on the electrical characteristics of the nGFETs under reduced pressure conditions. In passive operation of the nGFETs the change in current flow between source and drain under exposure to different gases has been measured. By this method, high sensitivities of the nGFETs can be found for ammonia (NH3), nitrogen dioxide (NO2) and carbon monoxide (CO). In active operation of the nGFETs, the physical mechanisms responsible for the gas sensitivity are identifi ed by means of input characteristics. Furthermore, in order to differentiate gases multiple selectivity criteria have been developed from the electrical parameters of the nGFETs and the physical mechanisms of the gas sensitivity. The outline of this work is as follows: Chapter 1 gives an overview of the theoretical basics to graphene, semiconductor devices and the used fabrication technology. In chapter 2, the applied series of experiments to optimize the in situ CCVD growth of graphene are described. Subsequently, chapter 3 presents an extensive material characterization of nanocrystalline graphene. Afterwards, the mass fabrication capabilites of the in situ CCVD growth method are demonstrated. In the following chapter 5, a fi rst electrical characterization of the nGFETs under vacuum conditions and first aspect of their reliability and stability are presented. Thereafter, the gas detection capabilities of the nGFETs under vacuum conditions are analyzed and several selectivity criteria are developed in chapter 6. Finally, a summary and prospect is given in chapter 7.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Semiconductor Technology and Nano-Electronics
Date Deposited: 10 Oct 2019 10:46
Last Modified: 10 Oct 2019 10:46
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-90990
Referees: Schwalke, Prof. Dr. Udo and Lemme, Prof. Dr. Max C.
Refereed: 18 September 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9099
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