CN102033095B - 气敏半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气敏半导体装置，其具有由第一沟道电极(12)和第二沟道电极(14)形成边界的半导电的沟道(10)和与所述沟道相关的栅电极(16)，所述栅电极(16)与所述沟道共同作用来使得作为对气体的作用的响应而出现沟道(10)的电导率改变，其中所述栅电极(16)和/或使所述栅电极与所述沟道绝缘的栅极绝缘层(20)和/或可设置在所述栅电极与所述沟道之间的栅极堆叠层(18)具有两个面区段(22，24)，所述两个面区段(22，24)在其对于不同气体的敏感性方面不同。

Description

气敏半导体装置
技术领域
本发明涉及一种气敏半导体装置，其具有由第一沟道电极和第二沟道电极形成边界的半导电的沟道以及与沟道相关的栅电极，所述栅电极与沟道共同作用来使得作为对气体的作用的响应而出现沟道的电导率变化。此外，本发明还涉及这种装置的应用。
背景技术
这样的装置在现有技术中通常是公知的，并且例如作为所谓的CHEMFET在US 4,411,741中予以描述。
被假定为常规现有技术的技术是气敏半导体器件，所述气敏半导体器件具有气敏(gassensitive)层，所述气敏层的电气特性通过吸收或者吸附气体而是可改变的并且对半导体器件的电子特性产生影响，尤其是以如下效应导致半导电的沟道的电导率改变：例如作为对产生作用的要探测的气体的响应而导致在第一沟道电极(例如漏极)与第二沟道电极(源极)之间流动的电流的改变。
在现有技术中，尤其是利用如下效应：要证实的气体分子与(例如有催化活性的)栅电极的相互作用导致有效地施加的栅极电势的改变，所述栅极电势以所描述的方式导致作为典型的(传感器)测量信号或探测信号的漏极-源极电流的信号改变。
在此，从现有技术中公知的是，通过选择或设立合适的栅电极材料引起相对于某些气体的选择性，也就是说，允许仅仅针对某些气体或气体混合物形成引起电导率改变的所描述的相互作用。
但是难以明确地和选择性良好地显示出相对于唯一的气体种类的这样的选择性，使得通常由于其它的气体成分发生不期望的影响(交叉敏感)。从现有技术中关于这一点公知的是，以电子方式或以计算方式补偿这样形成的叠加的(并且不期望的)信号，其中常见的尤其是还有，借助于多个敏感性不同的CHEMFET的探测器阵列(作为传感器阵列)探测不同的气体种类，以便接着在连接在下游的分析单元中由各个传感器信号以计算方式确定所期望的信号。不管相关的分析花费如何，已经为了进行信号引导而花费高的复用器技术和/或通向相应的各个CHEMFET的多个引线是需要的。
发明内容
因而，本发明的任务是，鉴于简单的、可靠的以及造成低补偿花费的信号产生和分析来改进气敏半导体装置、尤其是作为CHEMFET的气敏半导体器件。
该任务通过根据本发明的气敏半导体器件以及所述根据本发明的气敏半导体器件的应用来解决；本发明的有利的改进方案也在此予以描述。
也就是，以根据本发明有利的方式，具有两个面区段(Flaechenabschnitt)的栅电极(作为补充地或者可替换地为栅极绝缘层、作为补充地或可替换地为选用性地可设置的栅极堆叠层)被构造为使得这两个面区段构造具有针对不同气体的敏感性的(共同的)栅电极。由此，实际上在共同的集成的装置中实现两个公知半导体器件的功能，所述共同的集成的装置利用所述两个面区段而具有分别分立地已知的、预先确定的或设立的敏感性特性。在此，在本发明的范围内并且鉴于根据本发明的面区段，“敏感性”应被理解为所述面区段吸收一种气体或多种合适的气体并且作为对该吸收的响应而执行特性改变的能力，所述特性改变以根据本发明所描述的方式对半导电的沟道的电导率改变产生影响。
因此，根据本发明通过这种方式实现的、尤其是被实现成单个半导体器件(例如CHEMFET)的半导体装置允许通过适当地连接第一和第二沟道电极、尤其是根据相应的运行模式以两种不同的极性接有电压来有针对性地分别激活两个面区段之一并且允许与要探测的气体相互作用。因此，提供一种根据本发明被请求保护的半导体装置，所述半导体装置根据所述两个面区段在其气敏性方面是可切换的，其应通过其中一个的敏感性分别经由布线(更确切地：施加的沟道电压的极性)来激活。
根据本发明的原理基于对于本发明作为分开地被请求保护的认知：根据沟道电压的极性(以及由此在半导电的沟道中的第一或第二沟道电极的区域中产生的耗尽区)，适当地以气敏方式被构造的栅电极的气敏效应仅仅在耗尽区中起作用。换言之，在根据本发明的尤其是被实现为CHEMFET的气敏半导体装置运行在工作点时，仅仅被耗尽的沟道区域在气体加载有要探测的气体的情况下对传感器信号(即对电导率改变)有贡献。
根据本发明，这些认知通过如下方式被利用：两个面区段有利地被定位，使得根据相应的布线状态(以及由此造成的沟道中的耗尽区)，两个面区段中的仅仅分别局部相关的那个面区段有效，并且可以相对应地以气体探测的方式影响半导体的导通特性。
在此，首先根据本发明设置和优选的是：沿着沟道的延伸方向大约在中部划分根据本发明的两个面区段，使得形成对称的布局。同样被本发明包括并且根据改进方案视个别情况(尤其是还有相应的耗尽区的实施方式)而定有利的是，两个面区段之间的区域过渡被布置得更接近于两个沟道电极之一。
为了有利地在CHEMFET体系结构的范围内实现本发明，首先优选的是：栅电极(作为补充地或可替换地尤其是在多孔的并且由此透气的栅电极的情况下)、还有栅极绝缘层的表面或栅极堆叠层根据相应的不同的针对所期望的气体选择性的吸附特性而具有两种不同金属或者金属合金。这样的金属、金属合金或者掺杂物是在现有技术中通常是公知的。
作为补充地或者可替换地并且在本发明的有利的改进方案中有利的是，栅电极的两个面区段中的(仅仅)一个面区段被构造为气密(“气盲(gasblind)”)的，其中为此目的利用闭合的金属膜(必要时附加的钝化层)来使栅极面金属化，而栅极区域的第二半配备有气敏的(通常为多孔的、有催化活性的)金属层。
为了实现根据本发明的针对不同气体的敏感性根据两个面区段可切换的能力，针对传感器运行并且在根据本发明的改进方案中规定：利用用于进行工作点调节的装置连接该半导体装置，所述用于进行工作点调节的装置可以通过施加或以受控的方式翻转两个沟道电极之间的极性来在两个面区段之间选择并且控制探测效应：这样，在根据本发明的第一运行模式下，通过第一极性的第一电压(通常为源极-漏极电压)激活所述面区段的第一面区段、即激活栅电极的处于沟道中的这样产生的耗尽区域之上的那个区段。然后，有利地连接在下游的检测电子装置可以适当地检测传感器信号、例如在漏极与源极之间流动的电流。为了在同时停用第一面区段的情况下激活第二面区段，在第二运行模式下，施加在沟道电极上的电压被从第一极性翻转到第二极性，使得该沟道的对置端上的耗尽区移动，相对应地激活被定位在那里的面区段。接着，根据本发明的相对于第一面区段的不同的敏感性导致改变的传感器信号，所述改变的传感器信号可以相对应地被分析。
接着，在其它的分析中不仅可能和有利的是，通过这种方式利用仅仅一个半导体元件产生针对两种不同气体的测量信号(即例如分别相关的浓度)，为了解决开头关于现有技术所描述的问题也可能进行简单的和可靠的补偿：也就是说，如果例如两个面区段的第一面区段对于NO作为气体是敏感的，而两个面区段的第二面区段通过相对应的设备对于气体混合物(在此为NO和NO2)是敏感的，则本发明以简单方式使得能够简单地通过将在两个运行模式下产生的信号相减(其中将NO的影响减为0)来确定NO2探测信号(并且由此完美地补偿开头所描述的交叉敏感)。这种行为方式例如鉴于如下方面已经是特别有益和有利的：在借助于两个分立器件以传统方式实现这种测量时会考虑相应的部件容差以及必要时考虑传感器的不同老化特性，这通过根据本发明的实现方案利用仅仅一个器件而被取消。
因此，首先以显而易见的方式通过本发明在实现(传统方式必需的)多元件传感器阵列的情况下可实现可观的硬件最小花费，该硬件最小花费不仅涉及半导体器件本身，而且涉及相关的接线、电缆线路、复用器技术等等。附加地，实际上存在对半导体面积的节省，该节省进而以成本降低的方式产生影响，并且鉴于在空间上有限的安装条件而形成完全新的可能性。
因此，本发明原则上适用于几乎任意的可使用根据前序部分所述的原理的优选为复杂的气体传感器技术应用。但是，特别也通过紧凑的和有效的物理实现方案，汽车领域中的使用(并且在那里尤其是结合废气测量、即在腐蚀性环境中对热气体的测量)已被证明为是特别有利和优选的。
附图说明
从下面对优选实施例的描述中以及根据附图得出本发明的其它优点、特征和细节；附图：
图1示出了在第一运行模式下的根据第一优选实施形式的作为CHEMFET的气敏半导体装置的示意图；
图2示出了与图1类似的但是处于第二运行模式下的第一实施例的图示；
图3示出了用于说明半导体沟道中的电子浓度的示意图；
图4示出了用于说明耗尽的区域中的活性的在两种不同气体作用下的MIS结构的电容-电压图；
图5示出了用于说明常规的工作点调节的CHEMFET的电流-电压特性曲线族；以及
图6示出了本发明的第二实施例的示意图。
具体实施方式
图1示意性地说明了根据本发明的第一实施例的气敏半导体装置的结构和布线：一种CHEMFET在栅极上被配备有半侧不同的栅极金属化部(Gatometallisiorung)，所述CHEMFET包含半导电的沟道10、漏电极12(第一沟道电极)、源电极14(第二沟道电极)以及被分成两部分的栅电极16，所述栅电极16具有处于其间的栅极绝缘体层20和栅极堆叠表面层18。具体而言，在该实施例中，金属栅极16被分成两部分为两个面区段22、24，其中区域过渡在漏极和源极之间的中部处并且横向于沟道延伸方向(以及由此垂直于图平面)实现。两个面区段22、24的第一面区段为了产生例如相对于NO的第一敏感性而涂有由例如Pt、Pd、Au、Ag、Ir、Ti、Mn、Ni、Rh、Ru、Re构成的金属、金属陶瓷或者合金，而面区段22、24的第二面区段为了引起例如相对于NO+NO2的第二敏感性而涂有与在面区段22中所使用的材料/材料组合不同的金属、金属陶瓷或者合金。面区段22、24中的栅极金属化部的典型层厚度处于10nm到200nm之间，优选地处于30nm到100nm之间。
可替换地，也可以通过如下方式替代使用两种不同的材料或材料组合而产生不同的敏感性：面区段22中的金属栅极16在多孔性和/或形态学方面与面区段24中的金属栅极16不同。
在漏极-源极电压UDS为例如15伏特的情况下连接到栅极电压UG为例如2伏特的工作点AP在漏极区域(第一电极的区域)中产生半导电的沟道10中的耗尽区，使得栅电极的面区段24在敏感性NO+NO2的情况下是有活性的并且根据所检测到的气体浓度影响沟道导通特性。
与图2的在转换漏极-源极电压UDS的极性的情况下的类似图示的比较说明：在第二运行状态下，再次在栅极电压UG为2伏特的特性曲线上，沟道半导体10中的耗尽区域(耗尽区)已经朝着源电极方向运动，使得相对于图1的第一运行状态，不再是栅电极的面区段24、而是栅电极的面区段22有效。由于根据示例性绘制的半导体的设立，该面区段对于NO敏感，所以所产生的传感器信号(通过沟道的通过电流)与图1的布线状态(运行状态)不同，使得通过比较两个信号、尤其是相减并且由此达到NO成分的平均数(Herausmittelung)，第一实施例的所描述的布局能够实现可靠的和补偿过的NO2探测。
图3和图4说明了在本发明范围内被有利地利用的CHEM FET特征：仅仅处于沟道的耗尽区域中的(栅极)面区段有效地对沟道电导率有贡献，以便因此使得根据本发明的在两个面区段之间的选择性的分析能力或切换能力成为可能(就这方面来说，图3的示意图示出了具有源极侧或漏极侧的相关能带图的一般性FET，并且图4作为模拟的结果说明了根据沟道几何形状的电容变化)。
图6说明了本发明的第二实施例；只要相对应，就使用与图1或图2相同的附图标记。在图6的再次设置有被分成两个面区段30、32的栅电极的所述一个实施例中，栅电极的涂层是多孔的并且被构造为使得要探测的气体分别穿过栅电极渗入直至绝缘体层上的位于下面的栅极堆叠层的表面。但是在此，栅极堆叠层表面也在几何形状上根据面区段30、32被分成两部分为区段34、36，并且配备有不同气体选择性(敏感性)的材料。栅极堆叠表面层34、36由例如由下列项目构成的电绝缘材料制成：如氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化铪(HfO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化锆(ZrO2)的氧化物；和/或诸如氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)的氮化物；和/或诸如碳化硅的碳化物；和/或诸如硅化钨(WSi2)、硅化钽(TaSi2)的硅化物。用诸如Pt、Pd的金属对两个栅极堆叠表面层34和36进行不同的掺杂可以附加地有助于使栅极区域30和32在其敏感性或选择性方面不同。栅极堆叠表面层的典型的层厚度处于10nm至500nm、优选地处于20nm到100nm之间的范围中。
本发明并不限于根据附图所示的例子；更确切地说，通过适当地构造栅电极的面区段、栅极绝缘层和/或栅极堆叠表面，本发明的大量的变形是可能的，其中本发明也不限于所示的对称布局，更确切地说可以适当地根据两个沟道电极之一改变划分成面区段。
本发明尤其是还包括，通过如下方式实现面区段的针对气体的不同敏感性：区域(根据面区段之一)被实现为气盲的，例如具有闭合的金属膜，使得本发明利用由此仅仅在半侧为气敏的栅极能够实现一种其中可以接通或断开气敏性的半导体装置。
如果栅极区域整侧或者半侧涂有闭合的金属膜，则在此(替换于完全气盲的扩展方案)首先可以考虑对氢气的探测，而(在其它方面公知的)多孔的(尤其是纳米多孔的)有催化活性的栅极涂层也适用于多种含氢气体(例如氨气、碳氢化合物及其它)以及适于含氧气体(例如氮氧化物、一氧化碳等等)。例如还可以设想一种实现方案，其中第一面区段的针对一氧化氮的敏感性与针对氢气选择性的第二敏感性(根据面区段的第二面区段)相组合，使得例如可以产生一种可以在适合作为NO探测器与H2探测器之间被切换的半导体器件。

Claims (16)

1.一种气敏半导体装置，其具有由第一沟道电极(12)和第二沟道电极(14)形成边界的半导电的沟道(10)以及与沟道相关的栅电极(16)，所述栅电极(16)与沟道共同作用来使得作为对气体的作用的响应而出现沟道(10)的电导率变化，
其特征在于，
栅电极(16)和/或使栅电极与沟道绝缘的栅极绝缘层(20)和/或能够被设置在栅电极与沟道之间的栅极堆叠层(18)具有两个面区段(22，24)，所述两个面区段(22，24)在对于气体的敏感性方面不同。
2.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
所述半导体装置是场效应晶体管(FET)形式的半导体器件，其中沟道电极实现FET的漏极(12)和源极(14)。
3.根据权利要求2所述的装置，
其特征在于，
所述半导体装置是CHEMFET。
4.根据权利要求1至3之一所述的装置，
其特征在于，
平坦的栅电极根据所述两个面区段被分成两个由不同材料构成的区域(22，24)，其中所述区域的区域过渡处于沟道电极之间。
5.根据权利要求4所述的装置，
其特征在于，
平坦的栅电极根据所述两个面区段被分成两个由不同材料构成的区域(22，24)，其中所述区域的区域过渡横向于沟道(10)的延伸方向走向。
6.根据权利要求1至3之一所述的装置，
其特征在于，
栅电极为了实现所述两个面区段而具有两种不同的金属或者金属化部。
7.根据权利要求1至3之一所述的装置，
其特征在于，
栅电极的两个面区段之一具有气密的涂层。
8.根据权利要求7所述的装置，
其特征在于，
栅电极的两个面区段之一具有气密的金属化部。
9.根据权利要求1至3之一所述的装置，
其特征在于，
栅电极的面区段的至少一个具有多孔的和/或有催化活性的涂层。
10.根据权利要求9所述的装置，
其特征在于，
栅电极的面区段的至少一个具有纳米多孔的和/或有催化活性的涂层。
11.根据权利要求5所述的装置，
其特征在于，
栅电极具有多孔的金属化部，并且栅极堆叠电极为了实现所述两个面区段而具有不同的表面材料。
12.根据权利要求1至3之一所述的装置，
其特征在于用于通过在第一运行模式下在第一沟道电极与第二沟道电极之间施加第一极性的第一电压来进行工作点调节的装置，其中所述用于进行工作点调节的装置被构造用于以受控的方式在第二运行模式下施加与第一极性相反的第二极性的第二电压。
13.根据权利要求12所述的装置，
其特征在于用于在第一和第二运行模式下检测所述半导体装置的运行信号以及用于比较所述运行信号和/或形成所述运行信号之间的差的电子分析装置。
14.根据权利要求13所述的装置，
其特征在于，
所述电子分析装置在第一和第二运行模式下检测所述半导体装置的在运行时流动的沟道电流。
15.根据权利要求1至14之一所述的气敏半导体装置的应用，用于实现用于工业和/或住宅自动化、用于监控目的和/或作为废气传感器的气体传感器。
16.根据权利要求15所述的应用，其中，所述废气传感器是车辆技术中的燃烧废气的传感器。
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