Crecimiento, fabricación y caracterización de heteroestructuras y nanocolumnas ordenadas basadas en nitruros del grupo III para aplicaciones sensoras

Esta memoria está basada en el crecimiento y caracterización de heteroestructuras Al(Ga)N/GaN y nanocolumnas ordenadas de GaN, y su aplicación en sensores químicos. El método de crecimiento ha sido la epitaxia de haces moleculares asistida por plasma (PAMBE). En el caso de las heteroestructuras Al(Ga)N/GaN, se han crecido barreras de distinto espesor y composición, desde AlN de 5 nm, hasta AlGaN de 35 nm. Además de una caracterización morfológica, estructural y eléctrica básica de las capas, también se han fabricado a partir de ellas dispositivos tipo HEMTs. La caracterización eléctrica de dichos dispositivos (carga y movilidad de en el canal bidimensional) indica que las mejores heteroestructuras son aquellas con un espesor de barrera intermedio (alrededor de 20 nm). Sin embargo, un objetivo importante de esta Tesis ha sido verificar las ventajas que podían tener los sensores basados en heteroestructuras AlN/GaN (frente a los típicos basados en AlGaN/GaN), con espesores de barrera muy finos (alrededor de 5 nm), ya que el canal de conducción que se modula por efecto de cambios químicos está más cerca de la superficie en donde ocurren dichos cambios químicos. De esta manera, se han utilizado los dispositivos tipo HEMTs como sensores químicos de pH (ISFETs), y se ha comprobado la mayor sensibilidad (variación de corriente frente a cambios de pH, Ids/pH) en los sensores basados en AlN/GaN frente a los basados en AlGaN/GaN. La mayor sensibilidad es incluso más patente en aplicaciones en las que no se utiliza un electrodo de referencia. Se han fabricado y caracterizado dispositivos ISFET similares utilizando capas compactas de InN. Estos sensores presentan peor estabilidad que los basados en Al(Ga)N/GaN, aunque la sensibilidad superficial al pH era la misma (Vgs/pH), y su sensibilidad en terminos de corriente de canal (Ids/pH) arroja valores intermedios entre los ISFET basados en AlN/GaN y los valores de los basados en AlGaN/GaN. Para continuar con la comparación entre dispositivos basados en Al(Ga)N/GaN, se fabricaron ISFETs con el área sensible más pequeña (35 x 35 m2), de tamaño similar a los dispositivos destinados a las medidas de actividad celular. Sometiendo los dispositivos a pulsos de voltaje en su área sensible, la respuesta de los dispositivos de AlN presentaron menor ruido que los basados en AlGaN. El ruido en la corriente para dispositivos de AlN, donde el encapsulado no ha sido optimizado, fue tan bajo como 8.9 nA (valor rms), y el ruido equivalente en el potencial superficial 38.7 V. Estos valores son más bajos que los encontrados en los dispositivos típicos para la detección de actividad celular (basados en Si), y del orden de los mejores resultados encontrados en la literatura sobre AlGaN/GaN. Desde el punto de vista de la caracterización electro-química de las superficies de GaN e InN, se ha determinado su punto isoeléctrico. Dicho valor no había sido reportado en la literatura hasta el momento. El valor, determinado por medidas de “streaming potential”, es de 4.4 y 4 respectivamente. Este valor es una importante característica a tener en cuenta en sensores, en inmovilización electrostática o en la litografía coloidal. Esta última técnica se discute en esta memoria, y se aplica en el último bloque de investigación de esta Tesis (i.e. crecimiento ordenado). El último apartado de resultados experimentales de esta Tesis analiza el crecimiento selectivo de nanocolumnas ordenadas de GaN por MBE, utilizando mascaras de Ti con nanoagujeros. Se ha estudiado como los distintos parámetros de crecimiento (i.e. flujos de los elementos Ga y N, temperatura de crecimiento y diseño de la máscara) afectan a la selectividad y a la morfología de las nanocolumnas. Se ha conseguido con éxito el crecimiento selectivo sobre pseudosustratos de GaN con distinta orientación cristalina o polaridad; templates de GaN(0001)/zafiro, GaN(0001)/AlN/Si, GaN(000-1)/Si y GaN(11-20)/zafiro. Se ha verificado experimentalmente la alta calidad cristalina de las nanocolumnas ordenadas, y su mayor estabilidad térmica comparada con las capas compactas del mismo material. Las nanocolumnas ordenadas de nitruros del grupo III tienen una clara aplicación en el campo de la optoelectrónica, principalmente para nanoemisores de luz blanca. Sin embargo, en esta Tesis se proponen como alternativa a la utilización de capas compactas o nanocolumnas auto-ensambladas en sensores. Las nanocolumnas auto-ensambladas de GaN, debido a su alta razón superficie/volumen, son muy prometedoras en el campo de los sensores, pero su amplia dispersión en dimensiones (altura y diámetro) supone un problema para el procesado y funcionamiento de dispositivos reales. En ese aspecto, las nanocolumnas ordenadas son más robustas y homogéneas, manteniendo una alta relación superficie/volumen. Como primer experimento en el ámbito de los sensores, se ha estudiado como se ve afectada la emisión de fotoluminiscencia de las NCs ordenadas al estar expuestas al aire o al vacio. Se observa una fuerte caída en la intensidad de la fotoluminiscencia cuando las nanocolumnas están expuestas al aire (probablemente por la foto-adsorción de oxigeno en la superficie), como ya había sido documentado anteriormente en nanocolumnas auto-ensambladas. Este experimento abre el camino para futuros sensores basados en nanocolumnas ordenadas. Abstract This manuscript deals with the growth and characterization of Al(Ga)N/GaN heterostructures and GaN ordered nanocolumns, and their application in chemical sensors. The growth technique has been the plasma-assisted molecular beam epitaxy (PAMBE). In the case of Al(Ga)N/GaN heterostructures, barriers of different thickness and composition, from AlN (5 nm) to AlGaN (35 nm) have been grown. Besides the basic morphological, structural and electrical characterization of the layers, HEMT devices have been fabricated based on these layers. The best electrical characteristics (larger carriers concentration and mobility in the two dimensional electron gas) are those in AlGaN/GaN heterostructures with a medium thickness (around 20 nm). However, one of the goals of this Thesis has been to verify the advantages that sensors based on AlN/GaN (thickness around 7 nm) have compared to standard AlGaN/GaN, because the conduction channel to be modulated by chemical changes is closer to the sensitive area. In this way, HEMT devices have been used as chemical pH sensors (ISFETs), and the higher sensitivity (conductance change related to pH changes, Ids/pH) of AlN/GaN based sensors has been proved. The higher sensibility is even more obvious in application without reference electrode. Similar ISFETs devices have been fabricated based on InN compact layers. These devices show a poor stability, but its surface sensitivity to pH (Vgs/pH) and its sensibility (Ids/pH) yield values between the corresponding ones of AlN/GaN and AlGaN/GaN heterostructures. In order to a further comparison between Al(Ga)N/GaN based devices, ISFETs with smaller sensitive area (35 x 35 m2), similar to the ones used in cellular activity record, were fabricated and characterized. When the devices are subjected to a voltage pulse through the sensitive area, the response of AlN based devices shows lower noise than the ones based on AlGaN. The noise in the current of such a AlN based device, where the encapsulation has not been optimized, is as low as 8.9 nA (rms value), and the equivalent noise to the surface potential is 38.7 V. These values are lower than the found in typical devices used for cellular activity recording (based on Si), and in the range of the best published results on AlGaN/GaN. From the point of view of the electrochemical characterization of GaN and InN surfaces, their isoelectric point has been experimentally determined. Such a value is the first time reported for GaN and InN surfaces. These values are determined by “streaming potential”, being pH 4.4 and 4, respectively. Isoelectric point value is an important characteristic in sensors, electrostatic immobilization or in colloidal lithography. In particular, colloidal lithography has been optimized in this Thesis for GaN surfaces, and applied in the last part of experimental results (i.e. ordered growth). The last block of this Thesis is focused on the selective area growth of GaN nanocolumns by MBE, using Ti masks decorated with nanoholes. The effect of the different growth parameters (Ga and N fluxes, growth temperature and mask design) is studied, in particular their impact in the selectivity and in the morphology of the nanocolumns. Selective area growth has been successful performed on GaN templates with different orientation or polarity; GaN(0001)/sapphire, GaN(0001)/AlN/Si, GaN(000- 1)/Si and GaN(11-20)/sapphire. Ordered nanocolumns exhibit a high crystal quality, and a higher thermal stability (lower thermal decomposition) than the compact layers of the same material. Ordered nanocolumns based on III nitrides have a clear application in optoelectronics, mainly for white light nanoemitters. However, this Thesis proposes them as an alternative to compact layers and self-assembled nanocolumns in sensor applications. Self-assembled GaN nanocolumns are very appealing for sensor applications, due to their large surface/volume ratio. However, their large dispersion in heights and diameters are a problem in terms of processing and operation of real devices. In this aspect, ordered nanocolumns are more robust and homogeneous, keeping the large surface/volume ratio. As first experimental evidence of their sensor capabilities, ordered nanocolumns have been studied regarding their photoluminiscence on air and vacuum ambient. A big drop in the intensity is observed when the nanocolumns are exposed to air (probably because of the oxygen photo-adsortion), as was already reported in the case of self-assembled nanocolumns. This opens the way to future sensors based on ordered III nitrides nanocolumns.

Sistema de instrumentação e controle para células a combustível

Este trabajo presenta un estudio sobre el funcionamiento y aplicaciones de las células de combustible de membrana tipo PEM, o de intercambio de protones, alimentadas con hidrógeno puro y oxigeno obtenido de aire comprimido. Una vez evaluado el proceso de dichas células y las variables que intervienen en el mismo, como presión, humedad y temperatura, se presenta una variedad de métodos para la instrumentación de tales variables así como métodos y sistemas para la estabilidad y control de las mismas, en torno a los valores óptimos para una mayor eficacia en el proceso. Tomando como variable principal a controlar la temperatura del proceso, y exponiendo los valores concretos en torno a 80 grados centígrados entre los que debe situarse, es realizado un modelo del proceso de calentamiento y evolución de la temperatura en función de la potencia del calentador resistivo en el dominio de la frecuencia compleja, y a su vez implementado un sistema de medición mediante sensores termopar de tipo K de respuesta casi lineal. La señal medida por los sensores es amplificada de manera diferencial mediante amplificadores de instrumentación INA2126, y es desarrollado un algoritmo de corrección de error de unión fría (error producido por la inclusión de nuevos metales del conector en el efecto termopar). Son incluidos los datos de test referentes al sistema de medición de temperatura , incluyendo las desviaciones o error respecto a los valores ideales de medida. Para la adquisición de datos y implementación de algoritmos de control, es utilizado un PC con el software Labview de National Instruments, que permite una programación intuitiva, versátil y visual, y poder realizar interfaces de usuario gráficas simples. La conexión entre el hardware de instrumentación y control de la célula y el PC se realiza mediante un interface de adquisición de datos USB NI 6800 que cuenta con un amplio número de salidas y entradas analógicas. Una vez digitalizadas las muestras de la señal medida, y corregido el error de unión fría anteriormente apuntado, es implementado en dicho software un controlador de tipo PID ( proporcional-integral-derivativo) , que se presenta como uno de los métodos más adecuados por su simplicidad de programación y su eficacia para el control de este tipo de variables. Para la evaluación del comportamiento del sistema son expuestas simulaciones mediante el software Matlab y Simulink determinando por tanto las mejores estrategias para desarrollar el control PID, así como los posibles resultados del proceso. En cuanto al sistema de calentamiento de los fluidos, es empleado un elemento resistor calentador, cuya potencia es controlada mediante un circuito electrónico compuesto por un detector de cruce por cero de la onda AC de alimentación y un sistema formado por un elemento TRIAC y su circuito de accionamiento. De manera análoga se expone el sistema de instrumentación para la presión de los gases en el circuito, variable que oscila en valores próximos a 3 atmosferas, para ello es empleado un sensor de presión con salida en corriente mediante bucle 4-20 mA, y un convertidor simple corriente a tensión para la entrada al sistema de adquisición de datos. Consecuentemente se presenta el esquema y componentes necesarios para la canalización, calentamiento y humidificación de los gases empleados en el proceso así como la situación de los sensores y actuadores. Por último el trabajo expone la relación de algoritmos desarrollados y un apéndice con información relativa al software Labview. ABTRACT This document presents a study about the operation and applications of PEM fuel cells (Proton exchange membrane fuel cells), fed with pure hydrogen and oxygen obtained from compressed air. Having evaluated the process of these cells and the variables involved on it, such as pressure, humidity and temperature, there is a variety of methods for implementing their control and to set up them around optimal values for greater efficiency in the process. Taking as primary process variable the temperature, and exposing its correct values around 80 degrees centigrade, between which must be placed, is carried out a model of the heating process and the temperature evolution related with the resistive heater power on the complex frequency domain, and is implemented a measuring system with thermocouple sensor type K performing a almost linear response. The differential signal measured by the sensor is amplified through INA2126 instrumentation amplifiers, and is developed a cold junction error correction algorithm (error produced by the inclusion of additional metals of connectors on the thermocouple effect). Data from the test concerning the temperature measurement system are included , including deviations or error regarding the ideal values of measurement. For data acquisition and implementation of control algorithms, is used a PC with LabVIEW software from National Instruments, which makes programming intuitive, versatile, visual, and useful to perform simple user interfaces. The connection between the instrumentation and control hardware of the cell and the PC interface is via a USB data acquisition NI 6800 that has a large number of analog inputs and outputs. Once stored the samples of the measured signal, and correct the error noted above junction, is implemented a software controller PID (proportional-integral-derivative), which is presented as one of the best methods for their programming simplicity and effectiveness for the control of such variables. To evaluate the performance of the system are presented simulations using Matlab and Simulink software thereby determining the best strategies to develop PID control, and possible outcomes of the process. As fluid heating system, is employed a heater resistor element whose power is controlled by an electronic circuit comprising a zero crossing detector of the AC power wave and a system consisting of a Triac and its drive circuit. As made with temperature variable it is developed an instrumentation system for gas pressure in the circuit, variable ranging in values around 3 atmospheres, it is employed a pressure sensor with a current output via 4-20 mA loop, and a single current to voltage converter to adequate the input to the data acquisition system. Consequently is developed the scheme and components needed for circulation, heating and humidification of the gases used in the process as well as the location of sensors and actuators. Finally the document presents the list of algorithms and an appendix with information about Labview software.