Comprehensive Analytical Modeling of AlGaN/GaN based Heterostructure Gas Sensor

Abstract

Сьогодні людство стикається з серйозною проблемою, пов'язаною із забрудненням навколишнього середовища через викиди промислових газів і промислових відходів, які можуть становити небезпеку для навколишнього середовища і викликати серйозні проблеми зі здоров'ям людей. Так датчики летких органічних сполук (ЛОС) привернули велику увагу дослідників протягом останнього десятиліття. Оскільки ацетон належить до ЛОС, які широко використовуються у всіх дослідницьких лабораторіях, в промисловості та споживчих матеріалах, то моніторинг рівня концентрації ацетону є корисним для біомедичних та екологічних досліджень. Тому гетероструктура AlGaN/GaN діода Шотткі була аналітично змодельована для ефективного виявлення ацетону. Як наслідок спонтанної та п'єзоелектричної поляризації, двовимірний електронний газ високої щільності, що утворюється на межі розділу AlGaN/GaN, є дуже чутливим до змін стану поверхні. Завдяки полярності ацетону електростатичний потенціал поверхні AlGaN змінюється при введенні чутливого датчика в ацетон (дипольний момент = 2,9 Dy). Ця зміна потенціалу призводить до модифікації двовимірного електронного газу і, отже, зміни струму. Інструмент TCAD використовується для моделювання діодного датчика Шотткі та кривих I-V, отриманих при різних температурах для різних рівнів концентрації газу. За кривими I-V визначається чутливість за напруги зміщення 0,5 В при підвищеній температурі 450 K, реєструється близько 72 % відгуку в присутності газу з 100 ppm, оскільки ця модель оцінює чутливі властивості. Також спостерігається, що чутливість насичується після 450 K, отже, визначається оптимальна робоча температура 450 K; пристрій також демонструє гарну лінійність та відгук при різних температурах. Чутливість змінюється відповідно до зміни покриття поверхні, яка в кінцевому рахунку зростає через збільшення концентрації газу до певної межі. Отже, враховано залежність покриття поверхні від різних концентрацій газу.

Currently we are facing major problem regarding the environmental pollution due to industry-emitting gases and industrial waste, which can induce environmental hazards and causes serious health problems for human beings. So, volatile organic compounds (VOCs) sensors have generated a lot of attention from researchers over the last decade. As acetone is among the VOCs that extensively used for all research laboratories, industries and human consumables, thus, acetone concentration level monitoring is beneficial for biomedical and environmental research. The Schottky diode AlGaN/GaN heterostructure has therefore been analytically modeled to effectively detect acetone. As a consequence of spontaneous and piezoelectric polarization, the inbuilt high density 2DEG produced over at the interface of AlGaN/GaN is highly sensitive to surface state alterations. Owing to the polarity of acetone, the electrostatic potential of the AlGaN surface is amended when the sensing device is introduced to acetone (dipole moment = 2.9 Dy). This potential alteration leads the 2D electron gas to be modified and hence the current to change. The TCAD tool is used to simulate the Schottky diode sensor and I-V curves generated at various temperatures for different gas concentration levels.From the I-V curves the sensitivity is determined with a biasing voltage of 0.5 V at an elevated temperature of 450 K, around 72 % response in the presence of 100 ppm gas is being recorded as this model estimates the sensing properties. It is also observed that the sensitivity saturates after 450 K hence the optimum operating temperature of 450 K is determined and the device also demonstrates good linearity and response at different temperatures. The sensitivity changes as per the change in surface coverage which is ultimately increases due to the increase in gas concentration up to certain limit. Hence the reliance of the area surface coverage on the various gas concentrations has been taken into account.