DE102008054752A1

DE102008054752A1 - Gassensor mit Feldeffekttransistor

Info

Publication number: DE102008054752A1
Application number: DE102008054752A
Authority: DE
Inventors: Andreas Krauss
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2010-06-17
Also published as: FR2939892A1; US20100148222A1; US8072009B2; JP5709374B2; FR2939892B1; JP2010145402A

Abstract

Es wird ein Gassensor (1) mit Feldeffekttransistor (FET) zur Detektion von Gasen oder Gasgemischen vorgeschlagen. Der Gassensor (1) umfasst ein Substrat (5) mit einem Source (S)-, Drain (D)- und Gate (G)-Bereich, wobei eine gassensitive Schicht (10) auf dem Gate (G)-Bereich angeordnet ist. Erfindungsgemäß is ein poröser Haftvermittler (15) zur Haftung der gassensitiven Schicht (10) am Gate (G)-Bereich vorgesehen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Gassensor mit Feldeffekttransistor (FET) zur Detektion von Gasen oder Gasgemischen.
Gassensoren mit Feldeffekttransistoren sind an sich bekannt. Ihr grundsätzliches Messprinzip basiert auf einer Diffusion der zu detektierenden Gase in eine gassensitive Schicht, die eine Potentialänderung am FET bewirkt: Auf einem Substrat ist ein Feldeffekttransistor mit einem Source(S)-, Drain(D)- und Gate(G)-Bereich angeordnet, wobei eine gassensitive Schicht auf dem Gate(G)-Bereich aufgebracht ist. Ist der FET-basierte Gassensor (FET-Gassensor) einem Gas oder Gasgemisch ausgesetzt, so diffundiert der zu detektierende Gas oder Gasgemisch in die gassensitive Schicht und erzeugt bzw. verändert dabei das Potential an der Grenzfläche zum Kanalbereich (K) zwischen dem Source(S)- und Drain(D)-Bereich. Diese Potentialänderung kann über eine Strom- oder Spannungsänderung als Messsignal abgegriffen werden. Ausgehend von diesem Grundprinzip sind auch verschiedene Modifizierungen bzw. Weiterentwicklungen bekannt.
Üblicherweise wird die sensitive Schicht von dem Gate(G)-Bereich durch eine dazwischen angeordnete Zwischenschicht getrennt. Hierdurch wird einerseits der Gate(G)-Bereich vor einer schädlichen Gaseinwirkung geschützt. Andererseits wird die sensitive Schicht – die in der Regel elektrisch leitfähig ist, um ein definiertes Potential am Gate(G)-Bereich einstellen zu können – elektrisch isoliert vom Kanalbereich (K) des FET. Die Zwischenschicht dient also als eine Schutzschicht für den Gate(G)-Bereich und gleichzeitig als eine Isolierschicht.
So wird beispielsweise in DE 10 2005 008 051 A1 ein gassensitiver FET und ein Verfahren zu dessen Betrieb beschrieben, wobei die sensitive Schicht offenporig porös und in beliebiger Dicke ausgebildet ist und unter Umgehung eines Luftspalts direkt auf einer Isolierung eines FET aufgebracht ist. Dabei ist die sensitive Schicht direkt über dem Kanalbereich des FET positioniert oder wirkt mittelbar über eine potentialfreie Floating-Gate Elektrode mit dem FET zusammen.
Um die Funktion als chemische Schutz- und elektrische Isolierschicht zuverlässig erfüllen zu können, wird die Trennschicht möglichst aus einer chemisch inerten, elektrisch isolierenden, geschlossenen und kompakten Schicht gebildet. Übliche Materialien hierfür sind beispielsweise thermische Oxide, LPCVD(low pressure chemical vapour deposition)-Oxide oder auch LPCVD-Nitride. Diese Schichten weisen eine geringe Oberflächenrauhigkeit auf. Daraus resultiert eine mäßige Haftung der sensitiven Schicht an der Trennschicht.
Andererseits ist eine sehr gute Haftung der sensitiven Schicht am FET eine wesentliche Voraussetzung für eine zuverlässige und dauerhafte Funktionalität des Gassensors. Oft werden die Sensoren nämlich in einer Messumgebung eingesetzt, die die sensitiven Schichten mechanisch oder chemisch stark belasten. Ein Beispiel hierzu ist der Einsatz eines Gassensors für NO_x-Detektion im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors. Eine mechanische Belastung kann beispielsweise durch eine starke Vibration, sehr dynamischen Gasfluss oder auch durch temperaturbedingtes Einfrieren verursacht werden. Eine chemische Belastung kann beispielsweise durch Abgas oder Feuchtigkeit in der Messumgebung hervorgerufen werden.
Es besteht daher der Bedarf nach einem Gassensor mit Feldeffekttransistor, bei dem die sensitive Schicht eine verbesserte Haftung am Gate(G)-Bereich des Sensors aufweist im Vergleich gegenüber bisher bekannten FET-Gassensoren aus dem Stand der Technik.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße FET-Gassensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der sensitiven Schicht eine verstärkte Haftung gewährleistet wird. Die verbesserte Haftung ermöglicht nun einen zuverlässigen und dauerhaften Einsatz des FET-Gassensors auch unter einer schwierigen Umgebung mit großen Belastungen an der sensitiven Schicht.
Erzielt wird diese vorteilhafte Wirkung durch ein poröses Material, das als Haftvermittler vorgesehen ist.
Die Erfindung erfordert weiter keine aufwendigen Modifizierungen beim Herstellungsprozess des FET-Gassensors, vielmehr kann das erfindungsgemäß vorgesehene poröse Material in einer einfachen und geeigneten Weise in den bestehenden Herstellungsprozess integriert werden.
Weiter ist es vorteilhaft, dass für das poröse Material beim Herstellungsprozess des FET-Sensors auch ein zunächst nicht poröses, d. h. ein kompaktes Material ausgewählt werden kann. Die Porosifizierung des Materials kann während des Herstellungsprozesses des FET-Sensors erreicht werden. Bei Einsatz eines nach der Aufbringung zunächst kompakten Materials kann eine Porosifizierung des Materials insbesondere ortsaufgelöst erfolgen, z. B. in einer elektrochemischen oder chemischen Reaktion unter Verwendung einer Photomaske oder in Form einer photoinduzierten Reaktion mit selektiver Belichtung. Dies ermöglicht die Darstellung von Bereichen, die ortsaufgelöst eine nachfolgende Beschichtung aufnehmen können.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen FET-Gassensors im Querschnitt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gassensors ist in 1 dargestellt. Grundsätzlich umfasst der Gassensor 1 mit Feldeffekttransistor (FET) zur Detektion von Gasen oder Gasgemischen ein Substrat 5 mit einem Source(S)-, Drain(D)- und Gate(G)-Bereich, wobei eine gassensitive Schicht 10 auf dem Gate(G)-Bereich angeordnet ist. Zusätzlich ist nun erfindungsgemäß ein poröser Haftvermittler 15 zur Haftung der gassensitiven Schicht 10 am Gate(G)-Bereich vorgesehen.
Vorteilhaft wird durch die Poren des Haftvermittlers 15 die Möglichkeit zur tiefen Diffusion der sensitiven Schicht 10 in das Material des Haftvermittlers 15 bereitgestellt. Die Hohlräume des Haftvermittlers 15 können mit Material der sensitiven Schicht entweder vollständig oder auch zumindest teilweise ausgefüllt werden. Die sensitive Schicht wird praktisch fest im Haftvermittler 15 verankert. Die poröse Eigenschaft des Haftvermittlers 15 bewirkt so eine starke Fixierung der gassensitiven Schicht 10 am Haftvermittler 15.
Bevorzugt ist der poröse Haftvermittler 15 als eine Zwischenschicht zwischen dem Gate(G)-Bereich und der gassensitiven Schicht 10 angeordnet.
Der poröse Haftvermittler 15 kann dabei eine elektrisch isolierende Eigenschaft aufweisen. In solch einem Fall dient der Haftvermittler 15 auch als eine elektrische Isolation zwischen dem Kanalbereich (K) und der sensitiven Schicht 10. Vorteilhaft kann dann auf eine separate Isolierschicht verzichtet werden.
Alternativ dazu kann aber der poröse Haftvermitter 15 eine elektrisch leitfähige Eigenschaft aufweisen. In solch einem Fall können vorteilhaft auch nicht geschlossene, d. h. nicht miteinader verbundene sensitive Schichten auf dem Gate(G)-Bereich aufgebracht werden. Diese sind dann über den elektrisch leitfähigen Haftvermittler 15 kontaktierbar.
Weiter kann bei Bedarf eine elektrische Isolierschicht 7 zwischen dem porösen Haftvermittler 15 und dem Gate(G)-Bereich angeordnet sein. Ein Bedarf kann dann beispielsweise vorliegen, wenn wie oben beschrieben der Haftvermittler 15 elektrisch leitfähig ist. Auch auch bei einem elektrisch isolierenden Haftvermittler 15 kann eine Schutzschicht in Form einer Isolierschicht 7 eine geeignete Maßnahme darstellen, um beispielsweise dem Gate(G)-Bereich vor direktem Gaseinfluss zu schützen oder die elektrische Isolation zusätzlich zum elektrisch isolierenden Haftvermittler 15 zu verstärken.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der poröse Haftvermittler 15 durch poröses Siliziumcarbid (SiC) ausgebildet. Einerseits wird durch diese Materialauswahl ein chemisch inertes Halbleitermaterial bereitgestellt, so dass ein ungewollter Einfluss der Umgebungsgase auf den Haftvermittler 15 aus porösem SiC vermieden werden kann. SiC ist gerade für einen Einsatz in einer rauhen Umgebung geeignet aufgrund seiner ausgeprägt hohen chemischen und thermischen Stabilität.
Andererseits stehen vorteilhaft aktuelle Technologien zur Verfügung, mit denen ein zuverlässiges Bearbeiten des Halbleitermaterials SiC ermöglicht wird. So ist ein kontrolliertes Herstellen von porösem SiC gewährleistet. Zudem kann das Erzeugen eines Haftvermittlers 15 auf dem Gate(G)-Bereich ohne großen Aufwand in einen bestehenden Herstellungsprozess eines FET-Gassensors integriert werden. Schließlich kann die elektrische Leitfähigkeit des SiC definiert eingestellt werden über eine gezielte Dotierung des Materials. Daraus resultiert die grundsätzliche Gestaltungsfreiheit bei der Anwendung des SiC-Materials als Haftvermittler 15, ob der Haftvermitler 15 in elektrisch leitender oder isolierender Form vorliegen soll.
Ein weiteres geeignetes Material für den porösen Haftvermittler 15 stellt poröses Silizium (Si) dar. Prinzipiell treffen die oben genannten Vorteile für SiC auch für Si zu, wobei diese bezüglich der chemischen und thermischen Stabilität im Vergleich mit SiC lediglich eingeschränkt gelten. Dafür steht für Si als ein zentrales Material in der Halbleitertechnologie ein großes Spektrum an Bearbeitungsmethoden und ausgereiften Prozessen zur Verfügung.
In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform weist der poröse Haftvermittler 15 eine Porosifizierung mit einem Gradienten auf. Die Stärke der Porosifizierung des Haftvermittlers 15 ist also nicht konstant, vielmehr variiert sie in der Schicht längs einer Raumrichtung. Es wird vorgeschlagen, dass die Porosifizierung des Haftvermittlers 15 in der dem Substrat 5 abgewandten Richtung zunimmt. In einem Spezialfall liegt beispielsweise in einem unteren Bereich des Haftvermittlers 15, also der Bereich, der dem Kanalbereich (K) am nächsten ist, ein geschlossendes Material vor. Poröses Material liegt also in diesem Bereich gar nicht vor. Die Porosifizierung nimmt jedoch in Richtung zum oberen Bereich, also der Bereich, der dem Kanalbereich (K) am weitesten entfernt ist, zu. An der äußeren Oberfläche des Haftvermittlers 15 ist dann die Porosifizierung am stärksten ausgeprägt.
Vorteilhaft wird durch solch eine Vorgehensweise einerseits eine möglichst optimale, d. h. feste Verbindung des Haftvermittlers 15 mit der darunter angeordneten Schicht, dem Kanalbereich (K) oder gegebenenfalls mit einer Isolierschicht 7, gewährleistet. Andererseits wird durch die hohe Porosifizierung im oberen Bereich des Haftvermittlers 15 eine ausreichende Diffusion der gassensitiven Schicht in den Haftvermittler 15 und somit ihre starke Verankerung im Haftvermittler 15 erzielt.
Unabhängig davon, ob die Porosifizierung im Haftvermittler 15 variiert oder nicht, kann die gassensitive Schicht 10 in den porösen Haftvermittler 15 aufgebracht oder auch eingelagert sein. Im ersteren Fall überragt die gassensitive Schicht 10 den Haftvermittler 15 in der Höhe wie in 1 gezeigt, während im letzteren Fall die gassensitive Schicht 10 vollständig im porösen Material des Haftvermittlers 15 aufgenommen worden ist, so dass die gassensitive Schicht 10 den Haftvermittler 15 nicht überragt (nicht in Fig. dargestellt). In beiden Fällen ist zumindest ein Teil der gassensitiven Schicht 10 in das poröse Material des Haftvermittlers 15 eindiffundiert. Dieser eindiffundierte Teil der gassensitiven Schicht 10 im porösen Material des Haftvermittlers 15 ist aus Gründen der zeichnerischen Übersichtlichkeit in 1 nicht explizit dargestellt.
Übrigens kann in allen Ausführungsformen der Erfindung die Haftung der gassensitiven Schicht 10 am Gate(G)-Bereich mittels eines Trocknungs- und/oder Sinterprozesses verstärkt sein.
Schließlich wird festgestellt, dass die Erfindung besonders als nützlich erweist, wenn die gassensitive Schicht 10 kristalline, insbesondere nanokristalline, Metalle umfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005008051 A1 [0004]

Claims

Gassensor (1) mit Feldeffekttransistor (FET) zur Detektion von Gasen oder Gasgemischen, umfassend ein Substrat (5) mit einem Source(S)-, Drain(D)- und Gate(G)-Bereich, wobei eine gassensitive Schicht (10) auf dem Gate(G)-Bereich angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein poröser Haftvermittler (15) zur Haftung der gassensitiven Schicht (10) am Gate(G)-Bereich vorgesehen ist.
Gassensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Haftvermittler (15) eine elektrisch isolierende Eigenschaft aufweist.
Gassensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Haftvermitter (15) eine elektrisch leitfähige Eigenschaft aufweist.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Isolierschicht (7) zwischen dem porösen Haftvermittler (15) und dem Gate(G)-Bereich vorgesehen ist.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Haftvermittler (15) durch poröses Siliziumcarbid (SiC) ausgebildet ist.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Haftvermittler (15) durch poröses Silizium (Si) ausgebildet ist.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Haftvermittler (15) als eine Zwischenschicht zwischen dem Gate(G)-Bereich und der gassensitiven Schicht (10) angeordnet ist.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Haftvermittler (15) eine Porosifizierung mit einem Gradienten aufweist.
Gassensor (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Porosifizierung des Haftvermittlers (15) in der dem Substrat (5) abgewandten Richtung zunimmt.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gassensitive Schicht (10) in den porösen Haftvermittler (15) aufgebracht ist.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gassensitive Schicht (10) in den porösen Haftvermittler (15) eingelagert ist.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftung der gassensitiven Schicht (10) am Gate(G)-Bereich mittels eines Trocknungs- und/oder Sinterprozesses verstärkt ist.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gassensitive Schicht (10) kristalline, insbesondere nanokristalline, Metalle umfasst.