Metal/yalıtkan/n-GaAs hidrojen sensörlerinin araştırılması ve geliştirilmesi
Investigation and development of metal/insulator/n-GaAs hydrojen sensors
Yazar: NEVİN UĞUR
Danışman: PROF. DR. ZAFER ZİYA ÖZTÜRK ; YRD. DOÇ. DR. FATİH DUMLUDAĞ
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2005
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
ÖZETMETAL/YALITKAN/n-GaAs HİDROJEN SENSÖRLERİNİNARAŞTIRILMASI VE GELİŞTİRİLMESİHidrojen, geleceğin ideal enerji kaynağı olarak düşünülmektedir. Hidrojen, çok çeşitlienerji kaynakları kullanılarak sudan üretilebilmekte ve kullanışlı ve çevreye zararsız bir enerjikaynağı haline dönüştürülebilmektedir. Hidrojen, yakıt olarak ocaklarda, içten yanmalımotorlarda, türbünlerde ve jet motorlarında günümüzde kullandığımız fosil kaynaklıyakıtlardan daha verimli bir şekilde kullanılabilmektedir. Günümüzde hidrojen,otomobillerde, otobüslerde, uçaklarda, ocaklarda ve hatta su ısıtıcılarında yakıt olarakkullanılmaktadır. Ayrıca, hidrojen, çok çeşitli uygulamalar sayesinde ile doğrudan yüksekverimle elektrik enerjisine dönüştürülebilmektedir (yakıt pilleri). Bütün bu sebeplerdendolayı, Hidrojen, enerji kaynağı olarak 21. yüzyıla damgasını vurmaktadır.Hidrojen; renksiz, kokusuz, boğucu, aşırı derecede yanıcı ve oldukça parlayıcı birgazdır. Ayrıca, Hidrojen doğadaki bilinen en hafif gaz olup, havada hacimce % 4 oranındabulunursa parlar. Hidrojen hava ortamında yandığı zaman neredeyse hiç görünmeyen açıkmavi bir alevle yanar ve tutuşma sıcaklığı 565,5 ºC' dir. Bu sebeplerden, Hidrojen gazınınenerji kaynağı olarak kullanımı az da olsa tehlike arzetmektedir. Bütün bu sebeplerden dolayı,Hidrojen gazının algılanması konusu büyük önem arzetmektedir.Bu çalışmada, Hidrojen sensörü olarak Pd/n-GaAs (MS) ve Pd/Nitrür/n-GaAs (MIS)yapılar hazırlanmış, bu yapıların elektriksel karakterizasyonu belirlenmiş ve Hidrojen gazınıalgılamaya yönelik özellikleri araştırılmıştır. Çalışmada, MS ve MIS yapıların hazırlanmasıiçin (100) yönelimli n-tip epitaksiyel GaAs kristali kullanılmıştır. Yapıların metal tabakaları,Pd metalinin vakumlu ortamda ısıl yöntemle buharlaştırılmasıyla elde edilmiş olup yalıtkannitrür tabakası ise elektrokimyasal anodizasyon yöntemi kullanılarak büyütülmüştür. Böylece,MS yapı ile birlikte farklı kalınlıkta nitrür tabakalarına sahip dört adet MIS yapı hazırlanmışve nitrür yalıtkan tabakasına sahip MIS yapılarının Hidrojen gazını algılama özelliklerininincelenmesinin yanısıra nitrür tabakasının kalınlığının Hidrojen duyarlılığa etkisiaraştırılmıştır.MS ve MIS yapılarının elektriksel karakterizasyonu, yüksek saflıkta Azot gazıortamında bilgisayar kontrollü MKS gaz akış kontrol cihazı ile Keithley 617 ModelElektrometre ve Lakeshore 430 Model Sıcaklık Kontrol cihazı kullanılarak 25 0C, 50 0C, 900C, 130 0C ve 170 0C sıcaklıklarında yapılmıştır. Hidrojen gazını algılama özellikleri yineyüksek saflıkta azot ortamında 25 0C, 50 0C, 90 0C, 130 0C sıcaklıklarda ve MS yapısı için100 ppm, 200 ppm, 400 ppm, 600 ppm, 800 ppm Hidrojen gazı konsantrasyonlarında ve MISyapıları için ise (20 ppm, 50 ppm, 100 ppm, 200 ppm, 500 ppm) Hidrojen gazıkonsantrasyonlarında, Agilent 4285A Model Empedans Analizörü kullanılarak araştırılmıştır.Çalışmada elde edilen sonuçların ışığında, MS ve MIS yapılarının elektrikselkarakteristiklerinden, tüm yapıların Schottky diyot davranışına benzer davranış gösterdiğitespit edilmiştir. Ayrıca, MS ve MIS yapılarının Hidrojen gazını algılama ölçümlerinden, MSyapısının 50 0C sıcaklıkta 100 ppm Hidrojen gazı konsantrasyonunu, MIS yapılarının ise 500C sıcaklıkta 20 ppm Hidrojen gazı konsantrasyonunu oldukça kısa sürede algılayabildiklerigörülmüştür. Böylece, çalışmada hazırlanan MS ve MIS yapılarının Hidrojen sensörü olarakkullanılabileceği anlaşılmıştır. MIS yapılarının Hidrojen gazını algılama özellikleri, nitrürtabakasının kalınlığına ve sıcaklığa bağlı olarak incelenmiş ve sensörlerin duyarlıklarının,nitrür tabakasının kalınlığı ve sıcaklık arttıkça yükseldiği tespit edilmiştir. Böylece,elektrokimyasal anodizasyon yöntemiyle büyütülen nitrür tabakasının düşük konsantrasyonluHidrojen gazı için algılayıcı özellik taşıdığı anlaşılmıştır.Haziran, 2005 Nevin UĞUR

Abstract:
ABSTRACTINVESTIGATION AND DEVELOPMENT OFMETAL/INSULATOR/n-GaAs HYDROGEN SENSORSHydrogen is considered to be an ideal energy source in the future. It can beproduced from water by using a variety of energy sources and it can be convertedinto useful energy forms efficiently. Hydrogen can be used as a fuel in furnaces,internal combustion engines, turbines and jet engines more efficiently than fossilfuels which are being used today. Automobiles, buses, trains, ships, airplanes androckets can run on hydrogen. Hydrogen can also be converted directly to electricityby the fuel cells with a variety of applications. These wide range application area ofhydrogen have driven researchers on the design and development of reliable andefficient hydrogen sensors.In this study, I investigated and developed Pd/n-GaAs (MS) and Pd/Nitride/n-GaAs (MIS) structures as hydrogen sensors. MS and MIS structures were designedusing n-GaAs (100) epitaxial crystal. In addition, insulator thin layer was grown byanodic nitridation method. Electrical properties of these structures were characterizein a computer controlled flow setup under nitrogenium at 25 0C, 50 0C, 90 0C, 130 0Ctemperatures and hydrogen sensing properties of thesestructure were analyzed fordifferent hydrogen concentrations (100 ppm, 200 ppm, 400 ppm, 600 ppm, 800 ppmfor MS and 20 ppm, 50 ppm, 100 ppm, 200 ppm, 500 ppm for MIS) at sametemperatures.Consequently, electrical characterization of the sensors showed that some ofthem have diode characteristics. Hydrogen sensing measurements showed that thesesensors are sensitive for low hydrogen concentration with short response time andtheir sensitivity, reversibility and response time parameters are depended onthickness of insulator layer, hydrogen concentration and temperature conditions.June, 2005 Nevin UĞUR