DD227801A1 - Fluoridionensensitiver feldeffekttransistor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen fluoridionensensitiven Feldeffekttransistor zum Nachweis und zur quantitativen Bestimmung von Fluorionen in Loesungen. Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung zur Messung der Fluoridionenaktivitaet, welche eine hohe Sensitivitaet, Selektivitaet sowie eine hohe Langzeitbestaendigkeit aufweist und welche eine kostenguenstige Herstellung ermoeglicht. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ionensensitives Halbleiterbauelement, welches mit hoher Selektivitaet fuer Fluoridionen sensitiv ist und mit einer Si-planar-Technologie kompatiblen Verfahrensweise herstellbar ist, zu schaffen. Die technische Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch geloest, indem ein an sich bekannter Feldeffekttransistor mindestens im Gatebereich mit einem schwerloeslichen Fluorid, insbesondere mit einem Fluorid der seltenen Erden, vorzugsweise LaF3, ueberzogen wird, wobei fuer die sensitive Schicht aus LaF3 eine Schichtdicke im Bereich von 20 nm bis 1 mm moeglich ist. Die erforderliche Sensitivitaet wird sowohl bei direktem Kontakt der erfindungsgemaessen Fluoridschicht mit dem Isolator erreicht, als auch bei Verwendung einer oder mehrerer Zwischenschichten vor dem Aufbringen der Fluoridschicht. Die Erfindung ist anwendbar beim quantitativen Nachweis von Fluorionen z. B. im Umweltschutz, bei der Qualitaetskontrolle von Trinkwasser, in der chemischen Analytik sowie in der Prozesskontrolle und -ueberwachung. Fig. 1

Description

Titel der Erfindung

Fluoridionensensitiver Feldeffekttransistor

Anwendungsgebiet der Erfindung;

Die Erfindung betrifft einen fluoridionensensitiven Feldeffekttransistor zum Nachweis und zur quantitativen Bestimmung von Fluoridionen in Lösungen.

Charakteristik der bisher bekannten technischen Lösungen

Zur Bestimmung der -Aktivität bzw. Konzentration von Ionen in Lösungen haben ionensensitive Elektroden, als einfache, zuverlässige Sensoren eine breite Anwendung gefunden« Insbesondere die Glaselektrode zur Messung des pH-Wertes nimmt ,.einen ,wichtigen Platz in der elektroanalytischen MeJ3-technik ein.

Für die Bestimmung von Fluoridionen in Lösungen wurde in der US-PS 515 197 die Verwendung einer LaF^-Membran vorgeschlagen

Bei Verwendung eines dotierten LaFy-Sinkristalls wird mit solchen Membranen eine der iiernstschen Gleichung entsprechende Sensitivität sowie eine hohe Selektivität und gute Stabilität erreicht.

Nachteile dieser Elektrode sind jedoch der hohe Preis des Einkristalls, die Verwendung einer inneren Bezugslösung, die eine Herstellung mit einer modernen Massentechnologie behindert und bei Undichtheit die Funktion der Elektrode beeinträchtigt sowie der hohe Widerstand der Membran, der die Verwendung von teueren, hochohmigen MeJ3verstärkern erfordert.

Von Bergveld (JEEE'Trans. BME - 19,34-2 1972) wurde vorge-

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schlagen, einen Feldeffekttransistor als chemischen Sensor für Konzentrationsbestimmungen in Lösungen zu benutzen, indem durch Wechselwirkung von Ionen mit dem Gate-Isolator eine Potentialdifferenz entsteht, die den Drainstrom beeinflußt (ionensensitiver Feldeffekttransistor ISFET). Diese Potentialdifferenz ergibt sich, nie bei klassischen ionensensitiven Elektroden, aus der Fernstschen Gleichung. Im -weiteren wurden zahlreiche Substanzen als sensitive Schicht, die auf dem Gatebereich aufgebracht ist, vorgeschlagen und somit eine größere Zahl von Ionen der Messung zugänglich gemacht. Darunter befand sich jedoch kein ISFET zur Messung der Fluoridionenaktivität,

Beispiele sensitiver Schichten für ISFST¹S:

Ion sensitive Schicht auf

ISFET

H⁺ SiO₂

Ua-Alumosilikat Pj. K⁺ Valinomycin in PVC-Membran

Ca⁺ Orion Ca -Ionenaustauscher

92-20-02

Versuche SiO₂ durch anodische Polarisation in fluoridhaltigen Lösungen empfindlich für Fluoridionen zumachen, ergaben nur einen Anstieg von etwa 30 &V P^o Konzentrationsdekade, der zudem stark von der Vorbehandlung abhängig .-war. (Vlasow, Ju. G., Zh. prikl. Chim. 55, I310 1982) Die Kombination eines LaF .,-Einkristalls mit einer normalen Feldeffekttransistoranordnung (T. A. Fjeldly, K. Nagy, J. electrochem. Soc. 127, 1299 1980) ergibt zwar einen

fluoridionensensitiven Sensor mit einem niederobmigen Ausgangssignal, jedoch ergeben sich, durch die Verwendung des Einkristalls hohe Kosten bei der Herstellung. Von Nachteil ist ferner, daß ein derartiger Sensor auf Grund von Kontakt-Problemen eine schlechte LangzeitStabilität besitzt.

In letzter Zeit sind Versuche bekannt geworden, die beschriebenen Nachteile dadurch zu umgehen, daß mit dem Gatebereich eines Feldeffekttransistors verbundene Polysiliziumleiterbahnen mit LaF, bedampft wurden, wobei bis auf das fluoridserisitive Gebiet die gesamte Struktur mit Fotolack abgedeckt wird (J. van der Spiegel u.a., Sensors and Actuators, 4, 291 1983)

Nachteilig an dieser technischen Lösung ist die außerordent-

1.5 liehe große Potentialdrift, die eine praktische Anwendung ausschließt und eine ungenügende Nachweisempfindlichkeit.

Ziel der Erfindung;

Das Ziel der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Messung der Fluoridionenaktivität zu schaffen, die eine kostengünstige Herstellung ermöglicht, ein niederohmiges Ausgangssignal aufweist und dabei eine hohe Sensitivität, Selektivität sowie eine hohe Langzeitstabilität besitzt.

Darlegung des Wesens der Erfindung..

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ionensensiti^vves Halbleiterbauelement, welches mit hoher Selektivität für Fluoridionen sensitiv ist und mit einer Si-planar-Technologie kompatiblen Verfahrensweise herstellbar ist, zu schaffen.

Erfindungsgamäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein an sich bekannter Feldeffekttransistor mindestens im Gatebereich mit einem schwerlöslichen Fluorid, insbesondere einem Fluorid der seltenen Erden überzogen wird.

Wird dieses Fluorid einer fluoridhaltigen Lösung ausgesetzt, während alle anderen Teile der Anordnung gegen den Kontakt mit dem Elektrolyten geschützt werden, so kann unter Verwen-

dung einer für ISFST's üblichen Meßtechnik z.B. Sourcefolger oder "constant -charge mode" die Aktivität bzw. Konzentration der Fluoridionen bestimmt werden«

Besonders gute Ergebnisse hinsichtlich der Sensitivität, Nachweisgrenze und Stabilität wurden bei Verwendung von LaFo im Gatebereich erzielt.

Die sensitive Schicht aus LaF^ muß dabei eine Dicke im Bereich voel20 nm bis 1 /um aufweisen. Die gewünschte Sensitivität wird sowohl bei direktem Kontakt der erfindungsgemäßen Fluoridschicht mit dem Isolator, als auch bei Verwendung von einer oder mehreren Zwischenschichten vor dem Aufbringen der erfindungsgemäßen Fluoridschicht erreicht.

Ausführungsbeispiel

Der erfindungsgemäße Feldeffekttransistor soll an Hand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die dazugehörige Zeichnung zeigt eine Schnittdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform des ISFBT's. Ausführungsbeispiel 1:

Als Substrat 1 wurde p-Silizium verwandt, das mit entgegengesetzt dotierten Drain- und Sourcegebieten 2 und 3 versehen wurde, die mit elektrischen Leitern 4 und 5 verbunden sind, wobei die Kontaktierung durch Löcher in der Isolatorschicht 6 aus SiO₂ erfolgte. __

über den Leitern 4· und 5 befindet sich eine weitere Isolatorschicht 7· Oberhalb des Gatebereiches, zwischen den Drain- und Sourcegebieten 2 und 3 wird die Isolatorschicht 7 gegebenenfalls mit einer Zwischenschicht 8, z.B. Silber, überzogen und darauf die LaFo-Schicht 9 aufgebracht.

In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die LaF^-Schicht direkt auf die Isolatorschicht 7 aufgebracht. Der Bereich außerhalb des Gates wird mit einem, für die zu untersuchende Flüssigkeit undurchlässigen Harz 10 überzogen.

Der erfindungsgemäße Feldeffekttransistor kann vollständig mit üblichen Technologien zur Herstellung von Halbleiterstrukturen erzeugt werden und stellt somit eine sehr kosten-

günstige Art eines Sensors dar, wobei eine mit dem LaF.,-Ein kristall vergleichbare Sensitivität, Selektivität und Langzeitstabilität erreicht wird.

Die untere Hachweisgrenze liegt unter 10 ^J Mol Fluorid und die Langzeitstabilität drückt sich in einer sehr geringen Potentialdrift aus.

Zur Überprüfung der sensitiven Schicht aus LaFo wurde eine Struktur erzeugt, die in ihrem Aufbau der Schichtenfolge im Gatebereich der Figur 1 entspricht.

Auf einer Si-Scheibe (110) wurden zunächst 100 nm SiOp als Isolatorschicht und anschließend eine 100 nm dicke Si^IT^ Schicht erzeugt. Auf diese Schichten wurden 50 nm Ag aufgedampft, das wiederum mit einer 150 nm dicken Schicht LaFo überzogen wurde.

Die Bückseite wurde mit einem ohmschen Kontakt versehen und die gesamte Anordnung, bis auf die LaF^-Schicht in Epoxidharz eingegossen

Die so erhaltene Elektrode wurde in Lösungen mit verschiedenem Fluoridgehalt eingesetzt.

Die Charakterisierung der Proben erfolgte durch .Aufnahme der Kapazitäts- Spannungs- Kurven mit Hilfe der üblichen elektrochemischen MeBtechnik

Die Sensitivität ergibt sich aus der Verschiebung der Kurven auf der Spannungsachse.

Folgende Werte wurden gefunden:

Fluoridkonzentration	Spannung
Mol/Liter	in mV
1 . 1O~1 1 . 10™2	101 157
1 . 10~3	215
1 · 10"^	272 323

Die Potentialdrift war über einen Zeitraum von 9 Monaten äußerst gering und betrug 0,1 mY pro Tag.

Ausführungsbeispiel 2:

Ss wurde ein der Figur 1 entsprechender ionensensitiver Feldeffekttransistor in Lösungen mit unterschiedlichem Fluoridgehalt gegeben.

Die Gatespannung, die über eine Standard- Kaiomelektrode der Lösung aufgeprägt wurde, wurde jeweils so korrigiert, daß bei konstanter Drainspannung ein konstanter Drainstrom resultierte. Die notwendige Gatespannungsänderung erwies sich als abhängig von der Fluo'ridkonzentration.

Folgende Meßwerte wurden hier aufgenommen:

Fluoridkonzenteation Gatespannungsänderung (Mol/Liter) mV

1 . 10"¹ 0

1 . 10"² 53

1 . io~³ ₁₁₅

1 . 10"⁴ 173

1 . 10~³ 230

Claims (5)

1. Erf i ndungsanspruc h

   1. Fluoridionensensitiver Feldeffekttransistor, zum Nachweis und zur quantitativen Bestimmung von Fluoridionen in Lösungen, gekennzeichnet dadurch, daß auf einem an sich bekannten Feldeffekttransistor mindestens der Gatebereich mit einem schwerlöslichen Fluorid, insbesondere einem Fluorid der seltenen Erden, bedeckt ist und dieser einer zu untersuchenden Lösung ausgesetzt werden kann, während alle anderen Teile der Anordnung zuverlässig gegen einen Kontakt mit dem Elektrolyten geschützt sind.
2. 2. fluoridionensensitiver Feldeffekttransistor nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine bevorzugte "Variante in

   .15 der Verwendung von LaF^..als schwerlösliches.,Fluorid besteht.
3. 3. Fluoridionensensitiver Feldeffektransistor nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das schwerlösliche Fluorid eine Schichtdicke von 20 nm bis 1 pm hat.
4. 4. Fluoridionensensitiver Feldeffekttransistor nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das schwerlösliche Fluorid direkt auf die Isolatorschicht der Feldeffektstruktur aufgebracht wird.
5. 5. Fluoridionensensitiver Feldeffekttransistor nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das schwerlösliche Fluorid auf eine oder mehrere metallische, halbleitende oder ionenleitende Zwischenschichten oberhalb der Isolatorschicht aufgebracht wird.

   Hierau 1 Blatt Zeichnung.