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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Gasdetektion, ein Verfahren zur Gasdetektion, sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
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Gasdetektion in Metall-Isolator-Halbleiter-Bauelementen beruht auf dem Prinzip der Gleichgewichtsbedingung zwischen einer Anzahl von adsorbierten Molekülen auf einer Detektoroberfläche und einer Anzahl der vorhandenen Moleküle pro Volumeneinheit im zu detektierenden Gas. Dabei besteht das Bestreben darin möglichst viele an der Detektoroberfläche adsorbierte Moleküle zu erhalten. Dies geschieht bisher durch Verwendung von Katalysatoren als Gate-Elektrode. Dabei wird versucht, um mehr Oberfläche zur Reaktion zur Verfügung zu stellen, den Katalysator möglichst fein auf der Oberfläche des Detektorelements zu verteilen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Gasdetektion, weiterhin ein Verfahren zur Gasdetektion sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt und ein Gasdetektor gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Gleichgewichtsbedingung bei der Adsorption von geladenen Gasteilchen durch eine vorteilhafte Porengröße in der Katalysatorelektrode eines Gassensors beeinflusst werden kann. Dabei können Gleichgewichtslagen positiv geladener Moleküle anders beeinflusst werden als Gleichgewichtslagen negativ geladener Moleküle. Daraus ergibt sich die Möglichkeit in einem Arbeitspunkt bevorzugt eine Art der Gasionen zu detektieren, oder Arbeitspunkte zu verwenden, die eine besonders hohe Empfindlichkeit für eine Ionenspezies aufweisen.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Gasdetektion, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
ein Halbleitermaterial, wobei das Halbleitermaterial elektrisch kontaktierbar ist;
ein Isolatormaterial, das eine vorbestimmte Dicke aufweist, und auf das Halbleitermaterial aufgebracht ist; und
eine auf das Isolatormaterial aufgebrachte, elektrisch kontaktierbare Metallschicht, wobei die Metallschicht zumindest eine Öffnung mit einer vorbestimmten Porenbreite aufweist, wobei die Porenbreite ein vordefiniertes Verhältnis zur Dicke des Isolatormaterials aufweist, und wobei im Bereich der Öffnung das Isolatormaterial freiliegt.
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Weiterhin umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zur Gasdetektion an einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Gasdetektion, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Einstellen einer vorbestimmten elektrischen Arbeitspunktspannung zwischen der Metallschicht und dem Halbleitermaterial;
Ermitteln einer Kapazität der Vorrichtung um die Arbeitspunktspannung, um eine Information über die Kapazität zu erhalten; und
Bestimmen einer Gaskonzentration und/oder eines Gastyps unter Verwendung der Information über die Kapazität.
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Ferner schafft die Erfindung einen Gasdetektor mit folgenden Merkmalen: einer Einrichtung zur Durchführung eines vorstehend beschriebenen Verfahrens; und eine vorstehend beschriebene Vorrichtung.
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Unter einem Halbleitermaterial kann ein Festkörper verstanden werden, der hinsichtlich seiner elektrischen Leitfähigkeit sowohl als Leiter als auch als Nichtleiter betrachtet werden kann. Das Halbleitermaterial kann in monokristalliner, polykristalliner und amorpher Form vorliegen. Das Halbleitermaterial kann ein Substrat zur Anordnung von weiteren Lagen darauf bilden. Das Halbleitermaterial kann durch Kontaktanschlüsse elektrisch kontaktierbar sein, um elektrische Ladungen zu dem Halbleitermaterial zu- oder von dem Halbleitermaterial abzuführen. Unter einem Isolatormaterial kann ein Dielektrikum verstanden werden. Das Isolatormaterial kann beispielsweise ein Oxid sein und elektrische Ladungen nicht leiten. Das Isolatormaterial kann sich über eine bestimmte Fläche auf dem Halbleitermaterial erstrecken und mit diesem stoffschlüssig verbunden sein. Das Isolatormaterial kann beim Aufbringen eine feste Verbindung mit dem Halbleitermaterial ausbilden. Unter einer Metallschicht kann eine Gate-Elektrode verstanden werden. Die Metallschicht kann fest, insbesondere stoffschlüssig mit dem Isolatormaterial verbunden sein. Die Metallschicht kann katalytische Eigenschaften aufweisen, das heißt, die Metallschicht kann den Mechanismus einer chemischen Reaktion derart verändern, dass die Aktivierungsenergie der chemischen Reaktion verändert wird. Die Metallschicht kann selektive katalytische Eigenschaften aufweisen, das heißt, dass bevorzugte Reaktionen beschleunigt ablaufen. Die Metallschicht kann elektrische Ladungen leiten. Die Metallschicht kann Öffnungen aufweisen, und sie kann das Isolatormaterial unvollständig bedecken. Die Öffnungen können eine bestimmte Öffnungsweite oder Porenbreite oder -größe aufweisen. Die Öffnungen können Abmessungen annehmen, die zwischen der Größe einzelner Moleküle und zu mehreren hundert Nanometern liegen.
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Die Abmessungen der Öffnungen können mit einer Dicke des Isolatormaterials in einem vordefinierten Verhältnis stehen. Beispielsweise kann die Porenbreite einer Mehrheit der Poren oder Öffnungen Abmessungen in einem Bereich zwischen der Dicke des Isolatormaterials und der mehrfachen Dicke des Isolatormaterials aufweisen. Die Öffnungen in der Metalllage können also beispielswiese größer als die Dicke der Isolatorlage sein. Die Öffnungen in der Metallschicht können sich von einer Oberfläche des Isolatormaterials bis zu einer umgebenden Atmosphäre erstrecken. Damit liegt das Isolatormaterial für die Atmosphäre frei. Eine Kombination der beschriebenen Elemente kann als Metall-Isolator-Halbleiterstruktur bezeichnet werden. Durch die Katalysatoreigenschaft der Metallschicht können bestimmte Gasanteile des Umgebungsgases in Ionen umgewandelt werden. In den Öffnungen können ladungstragende Gasmoleküle an dem Isolatormaterial adsorbieren und durch ihre Ladung eine Reaktion in dem Halbleitermaterial hervorrufen. Bei einem optimierten Verhältnis von Porenbreite zu Isolatordicke können besonders viele Gasionen in Form von Kationen oder Anionen, also positiv oder negativ geladene Teilchen an der Oberfläche des Isolators adsorbieren. Daraus kann eine verstärkte Reaktion im Halbleitermaterial resultieren, und eine verbesserte Detektion der Gasmoleküle möglich sein.
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Unter einer Arbeitspunktspannung kann eine elektrische Spannung verstanden werden, die für einen Betrieb der Vorrichtung in einem Arbeitspunkt benötigt werden kann. Die Arbeitspunktspannung kann zwischen der Metallschicht und dem Halbleitermaterial angelegt werden und über elektrische Feldeffekte eine Ladungsträgerverteilung innerhalb der Vorrichtung beeinflussen. Durch die Ladungsträgerveränderung kann in der Vorrichtung eine Kapazitätsveränderung hervorgerufen werden. Die Kapazität kann mit bekannten Methoden bestimmt werden. Beispielsweise kann die Reaktion der Vorrichtung auf eine aufgeprägte Wechselspannung um die Arbeitspunktspannung Rückschlüsse auf die tatsächlich vorhandene Kapazität ermöglichen. Eine Gaskonzentration kann ein Anteil eines Gases in der umgebenden Atmosphäre oder Raumluft bzw. eines Gasgemischs sein. Je höher die Gaskonzentration ist, umso höher kann die Adsorptionsrate an dem Isolatormaterial sein. Die Ladungsträger der adsorbierten Ionen oder Partikel können eine Kapazitätsveränderung der Vorrichtung bewirken. Je nach Art der Ladungsträger kann ein anderer Gastyp bestimmt werden, wobei die an der Isolatorschicht adsorbierten Partikel positiv oder negativ ionisiert sind. Eine Veränderung der Kapazität der Vorrichtung kann ein Maß für die Gaskonzentration in der Umgebung um die Vorrichtung zur Gasdetektion sein. Bei einer bestimmten Arbeitspunktspannung kann die Adsorptionsrate für positiv geladene Gasteilchen sowie deren elektrostatische Wirkung unterschiedlich zur Adsorptionsrate für negativ geladene Gasteilchen und deren elektrostatischer Wirkung sein. Damit kann eine Empfindlichkeit der Vorrichtung für positive oder negative Ionen durch eine Wahl des Arbeitspunkts oder der Arbeitspunktspannung beeinflusst werden.
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Unter einem Gasdetektor kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Der Gasdetektor kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Gasdetektors beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Dicke des Isolatormaterials kleiner sein als die Porenbreite. Dadurch wird bei bestimmten angelegten Arbeitspunktspannungen die Adsorptionsrate und elektrostatische Wirkung für positive Gasionen anders ausgestaltet, als für negative Gasionen. Das ermöglicht eine Vorauswahl einer Empfindlichkeit für ein vorbestimmtes Gas.
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Ferner kann die Porenbreite innerhalb eines vorherbestimmten Toleranzbereichs um eine mittlere Porenbreite variieren. Durch einen geringen Toleranzbereich kann trotz Herstellungsungenauigkeiten eine noch ausreichend gleichmäßige Porenbreiteverteilung erreicht werden, um hinreichend genaue Messresultate zu erhalten.
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Halbleitermaterial ein dotiertes Halbleitermaterial sein. Das Halbleitermaterial kann durch eine Dotierung in seinen elektrischen Eigenschaften beeinflusst werden, und gewünschte Eigenschaften bevorzugt realisiert werden. Für eine Dotierung kann das Ausgangsmaterial mit Fremdatomen versetzt werden, die eine bedingte elektrische Leitfähigkeit ermöglichen können. Die Dotierung kann eine p-Dotierung und/oder eine n-Dotierung sein. Insbesondere durch eine Kombination einer bestimmten Dotierung mit einem bestimmten Arbeitspunkt lassen sich die genannten Empfindlichkeiten der Vorrichtung präzise einstellen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin einen Schritt des Anpassens der Arbeitspunktspannung ansprechend auf die Information über die Kapazität, um die Kapazität der Vorrichtung an eine vordefinierte und/oder gewünschte Kapazität anzupassen. Durch eine Regelung der Kapazität auf die vordefinierte und/oder gewünschte Kapazität kann in einem zugehörigen Arbeitspunkt eine unterschiedliche Sensitivität gegenüber positiv und negativ geladenen Gasmolekülen erreicht werden.
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Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Wechselns auf einen alternativen Arbeitspunkt umfassen, wobei dem alternativen Arbeitspunkt eine weitere vorbestimmte Arbeitspunktspannung und/oder eine weitere vordefinierte oder gewünschte Kapazität zugeordnet sind. Der alternative Arbeitspunkt zeichnet sich hierbei durch eine andere (alternative) Arbeitspunktspannung zwischen der Metalllage und dem Halbleitermaterial aus, als die zuvor genannte Arbeitspunktspannung. Durch die Anwendung eines anderen Arbeitspunkts kann mit einem einzigen Sensor durch Umschalten der Empfindlichkeiten für einen Gastyp oder unterschiedliche Gastypen die Aufgabe eines weiteren Sensors übernommen werden. Dadurch kann der Energieverbrauch sinken und der Platz- und Materialverbrauch kann reduziert werden.
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann im Schritt des Bestimmens eine vorherbestimmte Spannungs-Kapazitäts-Kurve verwendet werden, die eine Mehrzahl von Wertepaaren repräsentiert, wobei jedem Wertepaar je eine vorbestimmte Arbeitspunktspannung und eine korrespondierende, vordefinierte Kapazität bei dem Vorliegen einer bestimmten Gaskonzentration und/oder einem bestimmten Gastyp an der Vorrichtung zugeordnet ist. Durch Verwendung einer vorbestimmten, abgespeicherten Kurve kann an beinahe beliebigen Punkten auf der Kurve das vorstehend beschriebene Verfahren angewandt werden. Eine Auswahl eines geeigneten Arbeitspunkts kann so von Vorgaben für die zu lösende Messaufgabe abhängig gemacht werden.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Steuergerät, einer Vorrichtung zur Gasdetektion, oder einem Gasdetektor ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung im Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren;
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3 ein Diagramm einer Kennlinie einer Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur gemäß dem Stand der Technik;
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4 ein Diagramm einer Kennlinie eines Ausführungsbeispiels einer Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 ein Diagramm einer Kennlinie eines Ausführungsbeispiels einer Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur mit einer anderen Porengröße; und
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6 ein Diagramm eines Kapazitätsverlaufs bei einem Anlegen von unterschiedlichen Spannungen bei Adsorption von Partikeln von unterschiedlichen Gastypen an eine Vorrichtung zur Gasdetektion gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Gleiche oder ähnliche Elemente können in den Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein, wobei auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet wird. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können. Weiterhin ist die Erfindung in der nachfolgenden Beschreibung eventuell unter Verwendung von unterschiedlichen Maßen und Dimensionen erläutert, wobei die Erfindung nicht auf diese Maße und Dimensionen eingeschränkt zu verstehen ist. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder”-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal/Schritt und einem zweiten Merkmal/Schritt, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal/den ersten Schritt als auch das zweite Merkmal/den zweiten Schritt und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal/Schritt oder nur das zweite Merkmal/Schritt aufweist.
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Feldeffektbasierte Halbleiter-Gassensoren können z. B. als Metall-Isolator-Halbleiterstrukturen, sogenannte MIS-Kapazitäten, ausgeführt werden. Die Wechselwirkung zwischen Analytgas und der porösen katalytisch aktiven Metallelektrode erzeugt elektrisch geladene Reaktionsprodukte, die an der Sensoroberfläche adsorbieren können. Ihr elektrisches Feld ändert die Ladungsträgerkonzentration im Halbleiter und führt somit zu einer Änderung des Sensorsignals. Bislang ist bekannt, dass die Porosität der Metallelektrode die Sensitivität des Sensors begünstigt. Die Fachwelt geht davon aus, dass Dreiphasengrenzen zwischen Gasphase, Metall- und Isolatoroberfläche die Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Gaspezies ermöglichen. Um Selektivitäten gegenüber ausgewählten Gasen ausprägen zu können, werden in bisherigen Untersuchungen in der Regel die verwendeten Sensormaterialien variiert. Eine Variation des Metalls der porösen Elektrode bringt z. B. eine Variation der katalytischen Aktivität mit sich und führt somit zu gesteigerter oder gehemmter Erzeugung von signalbildenden Reaktionsprodukten. In der vorliegenden Erfindung wird jedoch erstmals gezeigt, dass Selektivitäten auch über die geeignete Wahl der Bauteilgeometrie ausgeprägt werden können. Daraus ergibt sich ein feldeffektbasierter Gassensor mit einer Sensitivitätseinstellung durch die Parameter-Porosität und Isolationsdicke. Eine solche Vorrichtung kann z. B. als ChemFET, d. h. als chemosensitiver Feldeffekttransistor ausgeführt werden. Die Sensitivität gegenüber bestimmten Gasspezies wird mit Hilfe des hier vorgestellten Ansatzes bevorzugt, indem das Design des Sensors so gewählt wird, dass die mittlere Porengröße der nanostrukturierten, porösen Metallelektrode und die Dicke der darunterliegenden Isolationsschichten in einem geeigneten Verhältnis zu einander stehen.
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1 zeigt eine Darstellung in Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur als Vorrichtung zur Gasdetektion. Ein dotiertes Halbleitermaterial 100 dient als Trägermaterial für ein Isolationsmaterial 102. Auf das Isolationsmaterial 102 ist eine Metallschicht 104 aufgebracht. Die Metallschicht 104 weist bis zum Isolationsmaterial 102 durchgehende Poren 106 auf, die auch als Öffnungen bezeichnet werden können. Zu detektierendes Gas kann mit der großen Oberfläche der Metallschicht 104 in Kontakt treten. Da die Metallschicht 104 katalytische Eigenschaften aufweisen kann, reagiert das Gas am Katalysator, und spaltet sich in unterschiedlich geladene Bestandteile auf. Diese ladungstragenden Bestandteile können nun durch die Poren 106 an das Isolationsmaterial 102 gelangen und sich an das Isolationsmaterial 102, sowie die Metallschicht 104 durch Adsorption anlagern. Dabei bewirken die Ladungen der Ladungsträger durch eine elektrische Feldwirkung eine Ladungsträgerverschiebung im Halbleitermaterial 100. Positiv geladene Ladungsträger auf dem Isoliermaterial 102 in den Poren 106 ziehen negativ geladene Ladungsträger im Halbleitermaterial 100 an, umgekehrt ziehen negativ geladene Ladungsträger auf dem Isoliermaterial 102 in den Poren 106 positiv geladene Ladungsträger im Halbleitermaterial 100 an. Auch kann die Schicht aus dem Isolationsmaterial mehrere (Teil-)Lagen von unterschiedlichen Isoliermaterialien aufweisen. Hierdurch kann ausgenutzt werden, dass sich unterschiedliche Isoliermaterialien in Bezug auf eine Adsorption von Gaspartikeln unterschiedlich verhalten und somit der Gassensor ein unterschiedliches Kapazitätsverhalten für verschiedene Gastypen oder Gaskonzentrationen aufweist.
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Die Metallschicht 104, das Isoliermaterial und das Halbleitermaterial 100 wirken wie ein Kondensator. Die Ladungsträger im Halbleitermaterial 100 sind durch Anlegen einer Spannung zwischen der Metallschicht 104 und dem Halbleitermaterial 100 beweglich. Die Beweglichkeit bedingt eine Veränderbarkeit der Kapazität des resultierenden Kondensators, durch eine Veränderung des Abstands der Ladungsträger auf beiden Seiten des Isoliermaterials 102. Die Kapazität des Kondensators ist abhängig von der Größe der angelegten Spannung um die Arbeitspunktspannung. Zwischen Spannung und Kapazität besteht ein nichtlinearer Zusammenhang.
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2 zeigt ein Verfahren 200 zur Gasdetektion an einer Vorrichtung zur Gasdetektion gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 weist einen Schritt des Einstellens 210 der vorbestimmten Arbeitsspannung zwischen der Metallschicht der Vorrichtung und dem Halbleitermaterial der Vorrichtung auf. Ferner weist das Verfahren einen Schritt des Ermittelns 220 einer Kapazität der Vorrichtung auf. Im Schritt 220 wird eine Information über die Kapazität der Vorrichtung ermittelt. In einem Schritt des Bestimmens 230 einer Gaskonzentration und/oder eines Gastyps wird die Information über die Kapazität aus Schritt 220 verwandt, um die Gaskonzentration und/oder den Gastyp eines zu detektierenden Gases bestimmt.
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3 zeigt einen idealisierten Kennlinienverlauf zwischen angelegter Spannung V und einer Kapazität C einer Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur. Auf der Abszisse ist eine ansteigende Spannung V aufgetragen, ein Nullpunkt ist nicht gekennzeichnet, befindet sich aber etwa in der Mitte der gezeigten Abszisse. Auf der Ordinate ist eine ansteigende Kapazität C angetragen. Die Kurve des Kennlinienverlaufs beginnt bei negativen Spannungswerten mit dem minimalen Kapazitätswert Cmin. In einem ersten Bereich ansteigender Spannung zeigt der Kurvenverlauf keine oder minimale Änderungen der Kapazität. Ab einem bestimmten Spannungswert steigt der Kurvenverlauf annähernd geradlinig steil an, bis zu einem Maximalwert der Kapazität Cis. Lediglich in Übergangsbereichen weist der Kennlinienverlauf eine Verrundung auf. In einem darauf folgenden Kurvenabschnitt weist die Kapazität C keine oder nur minimale Veränderung bei steigenden Spannungen auf. Der Beginn des Anstiegs erfolgt näherungsweise bei einem Nulldurchgang der Spannung. Unterschiedliche Materialkombinationen lassen eine andere Anordnung der Spannungswerte zu. Bei einem Zufluss positiver Ladungsträger (der in 3 durch Q+ verdeutlicht ist) durch Anlagerung ionisierten Gases auf der Metallseite des Isolators (d. h. derjenigen Seite, an der die Metallelektrode oder -lage aufgebracht ist) verschiebt sich der steil ansteigende Teil der Kurve im Wesentlichen parallel, in Richtung fallender Spannungswerte. Diese Verschiebung ist durch eine gestrichelte Kurve dargestellt. Ein Zufluss negativer Ladungsträger auf der Metallseite des Isolators ist nicht dargestellt. In diesem Fall verschiebt sich die Kurve im Wesentlichen parallel in Richtung ansteigender Spannungswerte. Im steil ansteigenden, geradlinigen Bereich des Kennlinienverlaufs befindet sich bevorzugter Weise ein Arbeitspunktbereich 300. Wird eine Arbeitsspannung in diesem Bereich 300 eingestellt, so bewirkt eine Anlagerung von Ladungsträgern auf der Sensorseite der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur eine nahezu proportionale Veränderung der Kapazität der Struktur. Die Höhe der Veränderung ist ein Maß für die Konzentration der Ladungsträger. Die Konzentration der Ladungsträger ist ein Maß für die Konzentration des zu detektierenden Gases in der Umgebungsluft.
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Mit anderen Worten zeigt 3 eine Kapazitäts-Spannungs-Kurve einer Metal-Insulator-Semiconductor-Struktur mit poröser Metallelektrode. Die Messung der gasabhängigen Sensorsignale an einer Metal-Insulator-Semiconductor-Struktur (MIS-Struktur) erfolgt durch eine Kapazitätsmessung. Durch Variation der Biasspannung zwischen Metallelektrode und Halbleitersubstrat können die Bereiche Akkumulation, Verarmung und Inversion eingestellt werden, wie in 3 gezeigt. Im Falle einer MIS-Struktur mit n-dotiertem Halbleitermaterial wird für positive Biasspannungen der Halbleiter an seiner Oberfläche zum Isolator mit Majoritätsladungsträgern angereichert, so dass effektiv die Kapazität des Isolatormaterials gemessen wird. Dieser Vorgang wird als Akkumulation bezeichnet. Verringert man die Biasspannung hin zu negativen Werten, verarmt die Halbleiteroberfläche an Ladungsträgern, sodass sich eine Raumladungszone ausbildet, die sich wiederum durch eine Verringerung der gemessenen Gesamtkapazität bemerkbar macht. Dieser Vorgang wird als Verarmung bezeichnet. Bei stark negativen Biasspannungen werden Minoritätsladungsträger an der Halbleiteroberfläche angesammelt. Dieser Vorgang wird als Inversion bezeichnet. Insgesamt ergibt sich der in 3 gezeigte Kapazitäts-Spannungs-Verlauf. Unter Gasbeaufschlagung kommt es zu einer horizontalen Verschiebung der Kapazitäts-Spannungs-Kurve. Adsorbieren positiv geladene Gasspezies an der Sensoroberfläche, verschiebt sich die Kurve in Richtung negativer Biasspannungswerte (hier: Verschiebung nach links), während sich die Kurve bei Adsorption negativ geladener Gasspezies zu positiveren Biasspannungen (hier: Verschiebung nach rechts, nicht gezeigt) verschiebt.
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4 zeigt berechnete Kennlinienverläufe für ein Ausführungsbeispiel einer Metall-Isolator-Halbleiterstruktur gemäß dem hier vorgestellten Ansatz. Auf der Abszisse ist eine ansteigende Spannung U in V angetragen. Im Ursprung beträgt die Spannung –2 V, der Maximalwert der Spannung beträgt +5 V. Auf der Ordinate ist eine dimensionslose Größe bezüglich der Kapazität C angetragen. Im Ursprung beträgt der Minimalwert der Kapazität 0,25, der Maximalwert der Kapazität beträgt 4,75. Eine schwarz durchgezogene Kennlinie 400 stellt einen Verlauf von Spannung und Kapazität ohne eine Beeinflussung der Kapazität durch angelagerte Gasionen am Sensor dar. Eine gestrichelt dargestellte Kennlinie 402 repräsentiert einen Zusammenhang von Spannung und Kapazität mit innerhalb der Poren angelagerten positiven Gasionen am Sensor. Eine gepunktet dargestellte Kennlinie 404 stellt einen Verlauf von Spannung und Kapazität mit innerhalb der Poren angelagerten negativen Gasionen am Sensor dar. Auf der Kennlinie 400 sind zwei Arbeitspunkte 406 und 408 markiert. Die Kennlinie 400 beginnt bei –2 V mit einem Kapazitätswert von 0,75. Der Kapazitätswert bleibt bis näherungsweise +0,8 V konstant bei 0,75. In einem Bereich zwischen +1 V und +2 V steigt die Kennlinie 400 stark auf einen Kapazitätswert von 3,75 an und nähert sich im Bereich zwischen +2 und +5 V asymptotisch einen Kapazitätswert von 4,25 an. Die Kennlinie 402 stimmt bis zu einem Spannungswert von 0,2 V mit der Kennlinie 400 überein. Bei näherungsweise 0,2 V steigt sie stark an und hat bei +2 V erneut näherungsweise den gleichen Verlauf wie die Kennlinie 400. Im Bereich um +1 V weist die Kennlinie 402 eine ausgeprägte Abflachung auf. Daraus resultiert im Bereich zwischen Kapazitätswerten von 0,75 und 2,75 ein stark erhöhter Abstand zur Kurve 400. Die Kennlinie 404 verläuft bis zu einem Spannungswert von 1 V näherungsweise deckungsgleich mit der Kurve 400. Bis zu einem Spannungswert von 1,5 V weist die Kurve 404 einen flacheren Anstieg als die Kurve 400 auf und verläuft bis zu einem Spannungswert von circa 1,8 parallel zur Kurve 400. Ab einem Spannungswert von circa 1,8 V weist die Kurve 404 einen schwachen Knick in Richtung höherer Spannungswerte auf, so dass in einem Bereich von Kapazitätswerten zwischen 2,5 und ungefähr 4 ein erhöhter Abstand zwischen der Kennlinie 400 und der Kennlinie 404 besteht. Zwischen 2,5 V und näherungsweise 4 V weist die Kurve 404 einen flacheren asymptotischen Anstieg an den Kapazitätswert von 4,25 auf, als die Kennlinie 400. Der erste Arbeitspunkt 406 befindet sich auf der Kurve 400 bei einem Kapazitätswert von 1,5. Ohne Einwirkung von geladenen Gasteilchen auf den Sensor korrespondiert der erste Arbeitspunkt 406 mit einer Spannung von 1,3 V. Liegt eine vorgegebene Konzentration von positiv geladenen Gasionen am Sensor an so verringert sich der Spannungswert im Arbeitspunkt bei gleich bleibender Kapazität auf 0,6 V. Liegt eine vorbestimmte Konzentration von negativ geladenen Gasionen am Sensor an, so erhöht sich der Spannungswert im ersten Arbeitspunkt bei gleich bleibender Kapazität auf 1,7 V. Daraus ergibt sich im ersten Arbeitspunkt 406 eine unterschiedliche Empfindlichkeit für positive und negative Gasionen. Der zweite Arbeitspunkt 408 liegt auf der Kurve 400 bei einem Kapazitätswert von 3 und einem Spannungswert von 1,7 V. Liegt die gleiche vorbestimmte Konzentration von positiv geladenen Gasionen am Sensor an so verringert sich die Spannung lediglich auf 1,5 V. Liegt dagegen die gleiche vorbestimmte Konzentration von negativ geladenen Gasionen am Sensor an so vergrößert sich die Spannung auf 2,1 V. Daraus ergibt sich eine größere Empfindlichkeit für negative Gasionen im zweiten Arbeitspunkt 408. Diese nichtlinearen Veränderungen der Kennlinienverläufe bezüglich positiver und negativer Gasionen beruhen auf einem Verhältnis von Öffnungsweite bzw. Porengröße zur Isolatordicke, wobei die Porenbreite in diesem Ausführungsbeispiel etwa im Verhältnis acht zu fünf zur Dicke der Isolatorsschicht liegt.
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Anders ausgedrückt zeigt 4 eine Darstellung von Simulationsergebnissen für Kapazitäts-Spannungs-Kurven an MIS-Strukturen mit poröser Metallelektrode, wobei ein Verhältnis von Porenbreite (z. B. 80 nm) größer als Isolationsdicke (z. B. 50 nm) gilt. Dabei kann die Porenbreite innerhalb eines Wertebereichs von 20 nm bis 200 nm liegen, wobei ein sehr günstiger Bereich der Porenbreite der Bereich von 50 nm bis 100 nm darstellt. Zugleich kann die Isolationsdicke in einem Bereich von 10 nm bis 150 nm liegen, wobei die Isolationsdicke günstigerweise innerhalb des Bereichs von 30 nm bis 80 nm liegt. Auch lässt sich anmerken, dass es sehr vorteilhaft ist, wenn die Porenbreite beispielsweise größer als das 1,5-fache der Dicke des Isolatormaterials oder der Isolationslage ist. Besonders günstig ist es, wenn die Porengröße dem 1,6-fachen oder auch dem 2-fachen der Dicke der Isolationslage oder des Isolationsmaterials entspricht.
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Der gestrichelt dargestellte Kurvenverlauf 402 zeigt die Adsorption positiv geladener Spezies innerhalb des Porenbereichs. Der gepunktet dargestellte Kurvenverlauf 404 zeigt die Adsorption negativ geladener Spezies innerhalb des Porenbereichs. 406 und 408 repräsentieren zwei mögliche Arbeitspunkte zur Umschaltung der Sensitivität. Durch geeignete Wahl der Geometrieparameter „Porengröße” und „Dicke der Isolationsschicht” lassen sich an feldeffektbasierten Halbleiter-Gassensoren bestimmte Gasspezies – in Abhängigkeit des verwendeten Arbeitspunktes – bevorzugt detektieren. 4 zeigt den nutzbaren Effekt bei optimalem Verhältnis von Porengröße zu Isolationsdicke, 5 zeigt keinen Effekt bei ungünstigem Verhältnis der Geometrieparameter. Dies hat den Vorteil, dass durch einfaches Umschalten von einem ersten Arbeitspunkt auf einen zweiten Arbeitspunkt zwischen Sensitivität 1 und Sensitivität 2 gewechselt werden kann. Beim Aufbau eines Sensorarrays zur selektiven Detektion verschiedener Gasspezies können somit erheblich Kosten gespart werden, da effektiv weniger Sensorelemente benötigt werden. Dies hat wiederum zur Folge, dass weniger Waferfläche pro Sensorarray benötigt wird, weniger Signalleitungen zur Ansteuerung der einzelnen Sensorelemente notwendig sind und folglich die Bauteilkosten weiter reduziert werden können. Der Arbeitspunkt wird typischerweise im Bereich der Verarmung gewählt (vgl. „AP-Bereich” 300 in 3), wobei bspw. die Biasspannung so geregelt wird, dass die Kapazität trotz Gasbeaufschlagung konstant gehalten wird. Die Höhe der jeweils notwendigen Biasspannung ist ein Maß für die Analytgaskonzentration an der Sensoroberfläche und dient somit als Sensorsignal. Geladene Gasspezies, die auf der Oberfläche von metallisierten Bereichen adsorbieren, können kein Sensorsignal im Halbleiter erzeugen, da ihre elektrische Feldwirkung durch das darunter liegende Metall elektrisch abgeschirmt wird. Geladene Gasspezies hingegen, die innerhalb der offenen Gatebereiche oder Poren adsorbieren, können direkt auf den Halbleiter wirken und folglich ein Sensorsignal hervorrufen. Die Simulationen von Kapazitäts-Spannungs-Kurven in 4 und 5 zeigen, dass innerhalb der Poren adsorbierte positiv bzw. negativ geladene Gasspezies bevorzugt detektiert werden können, sofern das Verhältnis aus Porenbreite und Dicke der Isolationsschicht geeignet gewählt wird. In 4 wurde die Porosität der Metallelektrode so gewählt, dass die Porenbreite größer oder gleich der Dicke der Isolationsschicht ist. Die Adsorption positiv geladener Gasspezies führt in diesem Fall zu einer nichtlinearen Verschiebung der Kapazitäts-Spannungs-Kurve. Statt der erwarteten Parallelverschiebung wird die Kurve im unteren Drittel stärker zu negativeren Biasspannungswerten verschoben. Ebenso ergibt sich bei Adsorption negativ geladener Gasspezies eine nichtlineare Verschiebung in Richtung positiverer Biasspannungswerte.
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In 4 sind zwei mögliche Arbeitspunkte eingetragen. Die Länge der Pfeile in positive bzw. negative Richtung entsprechen dem Sensorsignalhub im jeweiligen Arbeitspunkt bei Adsorption von positiv, was durch einen Pfeil nach links gezeigt ist, bzw. negativ, was durch einen Pfeil nach rechts gezeigt ist, geladener Gasspezies. Folglich können in dem ersten Arbeitspunkt 406 positiv geladene Gasspezies z. B. bei Beaufschlagung mit H2, NH3, C3H6 bevorzugt detektiert werden, was durch eine große Pfeillänge nach links dargestellt ist, während negativ geladene Gasspezies lediglich einen geringen Signalhub verursachen, was durch eine geringe Pfeillänge nach rechts dargestellt ist. Entsprechend können in dem zweiten Arbeitspunkt 408 negativ geladene Gasspezies z. B. bei Beaufschlagung mit NO2 bevorzugt nachgewiesen werden.
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Dieser Effekt tritt jedoch nicht auf, sofern die mittlere Porenbreite kleiner als die Dicke der Isolationsschicht gewählt wird. Das Ergebnis einer Simulation dieses Falls ist in 5 dargestellt.
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5 zeigt berechnete Kennlinienverläufe eines Ausführungsbeispiels einer Metall-Isolator-Halbleiterstruktur mit einem ungeeigneten Verhältnis von Porenbreite zu Isolatordicke. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis von Porengröße zur Dicke der Isolierschicht etwa bei vier zu fünf. Auf der Abszisse ist eine Spannung U von –2 V bis +7 V angetragen. Auf der Ordinate ist eine größenlose Kapazität C von 0 bis 5,0 angetragen. Eine Kennlinie 500 beginnt bei einem Kapazitätswert von circa 0,7 und beginnt bei einem Spannungswert von +0,5 V einen steilen Anstieg auf einem Kapazitätswert von 4,5 bei einem Spannungswert von +3 V um sich anschließend asymptotisch an einem Kapazitätswert von circa 4,7 anzunähern. Zwischen einem Spannungswert von 1,3 V und 1,9 V verläuft die Kennlinie 500 näherungsweise geradlinig zwischen Kapazitätswerten von 1,5 und 3,5. Die Kennlinie 502 verläuft annähernd parallel zur Kennlinie 500 und ist lediglich um einen Spannungswert von –0,2 V in Richtung zur niedrigeren Spannung verschoben. Die Kennlinie 404 verläuft ebenfalls näherungsweise parallel zur Kennlinie 500 und ist lediglich um einen Spannungswert von +0,2 V in Richtung der höheren Spannungswerte verschoben. Durch die ungeeignete Wahl des Verhältnisses von Porenöffnung zur Isolatordicke ergeben sich keine besonders geeigneten Arbeitspunkte um eine unterschiedliche Empfindlichkeit für positiv ionisierte Gase und Negativ ionisierte Gase zu erreichen.
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Mit anderen Worten zeigt 5 eine Darstellung von Simulationsergebnissen für Kapazitäts-Spannungs-Kurven an MIS-Strukturen mit poröser Metallelektrode, wobei ein Verhältnis von Porenbreite (40 nm) kleiner Isolationsdicke (50 nm) gilt. Der Kurvenverlauf 502 zeigt die Adsorption positiv geladener Spezies innerhalb des Porenbereichs. Der Kurvenverlauf 504 zeigt die Adsorption negativ geladener Spezies innerhalb des Porenbereichs.
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6 zeigt gemessene Kennlinienverläufe an einer Metall-Isolator-Halbleiterstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Auf der Abszisse ist eine Spannung U von –5 V bis +5 V angetragen. Auf der Ordinate ist eine Kapazität C von 45 Picofarad bis 60 Picofarad angetragen. Eine Kennlinie 600, die kennzeichnend für eine vorliegend beschriebene Metall-Isolator-Halbleiterstruktur ist, beginnt bei einer Kapazität von 55,2 Picofarad und fällt bogenförmig bis zu einem Tiefpunkt bei –1 V und einer Kapazität von 45,8 Picofarad. Von dort weist die Kennlinie 600 einen näherungsweise geradlinigen Anstieg bis auf 56 Picofarad bei einem Spannungswert von 1,7 V auf. Im weiteren Verlauf nähert sich die Kennlinie 600 asymptotisch einer Kapazität von 58 Picofarad. Eine gepunktet dargestellte Kennlinie 602 beginnt bei einer Kapazität von 55 Picofarad, erreicht einen Tiefpunkt bei –1,9 V und einer Kapazität von 46,5 Picofarad, steigt von dort näherungsweise geradlinig auf 49,5 Picofarad bei –1 V, zeigt eine Abflachung zwischen –1 V und –0,3 V und steigt von einem Kapazitätswert von 50,5 Picofarad näherungsweise bis auf 56 Picofarad und +1 V. Anschließend nähert sich die Kennlinie 602 asymptotisch einer Kapazität von 58,2 Picofarad. Die Kennlinie 602 ist charakteristisch für eine bestimmte Konzentration an positiv geladenen Gasionen H+ die an der Oberfläche des Isolators adsorbiert sind. Eine gestrichelt dargestellte Kennlinie 604 beginnt bei 55,7 Picofarad, erreicht einen Tiefpunkt bei 46,2 Picofarad und –0,3 V, steigt von dort näherungsweise geradlinig bis zu einem Wert von 52 Picofarad und 0,8 V, weist einen leichten Knick auf und steigt weiter näherungsweise gradlinig bis zu einem Wert von 2,5 V und 56,3 Picofarad und nähert sich im weiteren Verlauf asymptotisch an 58 Picofarad an. Die Kennlinie 604 ist charakteristisch für eine vorbestimmte Menge an Gasionen O- mit negativer Ladung die an der Oberfläche des Isolators adsorbiert sind. Auf der Kennlinie 600 befinden sich zwei Arbeitspunkte 606 und 608. Der Arbeitspunkt 606 befindet sich in einem Bereich, in dem der Sensor eine größere Empfindlichkeit für positiv geladene Gasionen aufweist, als negativ geladene Gasionen. Der Arbeitspunkt 608 befindet sich in einem Bereich der Kennlinie 600, in dem der Sensor eine größere Empfindlichkeit für negativ geladene Gasionen, als positiv geladene Gasionen aufweist. Der Arbeitspunkt 606 befindet sich bei 49 Picofarad und –0,1 V. Der Arbeitspunkt 608 befindet sich bei 55,5 Picofarad und 1,4 V. Im Arbeitsbereich 606 stehen näherungsweise 1,1 V zur Abbildung der vorbestimmten Gaskonzentration von positiven Gasionen bereit. Demgegenüber stehen nur näherungsweise 0,3 V zur Darstellung der vorbestimmten Menge an negativ geladenen Gasionen. Im Arbeitspunkt 608 stehen zur Darstellung derselben Menge positiv geladene Gasionen näherungsweise 0,4 V zur Verfügung und für eine Darstellung der vorbestimmten Menge negativ geladene Gasionen näherungsweise 0,6 V. Daraus ergibt sich eine Möglichkeit zur Umschaltung auf unterschiedliche Empfindlichkeiten zwischen den beiden Arbeitspunkten 606 und 608.
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Anders ausgedrückt zeigt 6 gemessene Kapazitäts-Spannungs-Kurven bei N2 600, NH3 602 und NO2 604 Beaufschlagung. 606 und 608 repräsentieren zwei mögliche Arbeitspunkte zur Umschaltung der Sensitivität. 6 zeigt die Messung dreier Kapazitäts-Spannungs-Kurven an einer MIS-Struktur mit geeignet poröser Metallelektrode in N2-Atmosphäre, bei Beaufschlagung von NH3 sowie bei Beaufschlagung von NO2. Der gemessene Kurvenverlauf bestätigt folglich das oben beschriebene und per Simulation gezeigte Verhalten des Gassensors oder gassensitiver Kapazitätsstrukturen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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