DE102011002854A1

DE102011002854A1 - Feldeffekt-Gassensor, Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekt-Gassensors und Verfahren zur Detektion von Gas

Info

Publication number: DE102011002854A1
Application number: DE201110002854
Authority: DE
Inventors: Richard Fix; Denis Kunz; Andreas Krauss; Alexander Martin; Daniel Kaercher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2012-02-16
Also published as: FR2963831A1; CN102375015A; CN102375015B

Abstract

Es wird ein Feldeffekt-Gassensor (100, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 1020) vorgeschlagen, der eine für zumindest ein vorbestimmtes Gas durchlässige poröse Elektrodenlage (110, 310, 410, 510, 610) aufweist. Ferner umfasst der Feldeffekt-Gassensor mindestens eine an die Elektrodenlage grenzende Dielektrikumslage (120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660), die ein Material aufweist, das sich von SiO2 unterscheidet. Schließlich umfasst der Feldeffekt-Gassensor eine Rückelektrode (150, 330, 420, 440, 530, 640) aus einem Metall oder einem Halbleitermaterial, wobei die Rückelektrode an einer der Elektrodenlage gegenüberliegenden Seite an die Dielektrikumslage angrenzt.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Feldeffekt-Gassensor, Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekt-Gassensors und ein Verfahren zur Detektion von Gas gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Feldeffekt-basierte Bauelemente wie z. B. Feldeffekttransistoren, Metall-Isolator-Halbleiter-Strukturen (MIS-Strukturen) und/oder Kapazitätsstrukturen mit einer gassensitiven Elektrode, einer Gegenelektrode und dazwischen liegendem Dielektrikum eignen sich zur Detektion von Gasen. Dabei übernehmen nach bisherigem Kenntnisstand vor allem die Metall- und Halbleiterschicht wichtige Aufgaben der Signalbildung. Die zu detektierenden Gase werden durch die katalytische Aktivität der Metallschicht (zur Wasserstoffdetektion wird hier hauptsächlich Pt verwendet) ionisiert. Dabei bewirken die gasinduzierten Ladungen durch ihr Feld eine Änderung der Ladungsträgerkonzentration im Halbleitermaterial, wodurch sich wiederum die Dicke der Raumladungszone zwischen Halbleiter und Dielektrikum verändert. Dieses Signal kann z. B. als Änderung der Kapazität gemessen werden. Im Aufbau als Feldeffekttransistor kann die Änderung der Ladungsträgerkonzentration auch als Änderung des Kanalwiderstandes des FETs gemessen werden. Die Information der Ladungsträgerkonzentration wird dadurch in eine Kanalstromänderung übersetzt (Transducer).
Der Isolator, auch Dielektrikum genannt, übernimmt dabei die Aufgabe, Halbleiter und Metall elektrisch voneinander zu trennen und zudem das elektrische Potenzial am Metall (Gate) über das Feld an den Halbleiter weiterzugeben. Für die bisher bekannten signalbildenden Mechanismen spielt das verwendete Dielektrikum eine untergeordnete Rolle. Standardmäßig werden für Feldeffekt-basierte Gassensoren bislang Dielektrikamaterialien wie z. B. SiO₂ oder Si₃N₄ eingesetzt, in besonderen Anwendungen sind beispielsweise Diffusionsbarrieren vorteilhaft. Ein Beispiel für einen solchen Sensor ist in der DE 10 2007 003 541 A1 offenbart.
Optimierungen hinsichtlich der Sensitivität von feldeffekt-basierten Gassensoren betreffen nach derzeitigem Stand der Technik hauptsächlich die katalytisch aktive Metallschicht, welche z. B. aus Pt- oder Pd-Nanostrukturen besteht. Dabei wird versucht, durch Variation der Morphologie und Zusammensetzung solcher nanoporösen Metallschichten eine optimale Sensitivität und Selektivität zu erreichen.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Feldeffekt-Gassensor, ein Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekt-Gassensors, weiterhin ein Verfahren zur Detektion von Gas sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt sowie schließlich ein Gasdetektor, der dieses Verfahren verwendet, gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Feldeffekt-Gassensor, mit folgenden Merkmalen:

– einer für zumindest ein vorbestimmtes Gas durchlässigen porösen Elektrodenlage;
– mindestens einer an die Elektrodenlage grenzenden Dielektrikumslage, die ein Material aufweist, das sich von SiO₂ und von Si₃N₄ unterscheidet; und
– einer Rückelektrode aus einem Metall oder einem Halbleitermaterial, wobei die Rückelektrode an einer der Elektrodenlage gegenüberliegenden Seite an die Dielektrikumslage angrenzt.

Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Detektion von Gas an einem vorstehend beschriebenen Feldeffekt-Gassensor, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

– Anlegen einer Spannung zwischen der Elektrodenlage und einem Anschlusskontakt der Rückelektrode des Feldeffekt-Gassensors;
– Bestimmen einer physikalischen Größe zwischen der Elektrodenlage und einem Anschlusskontakt der Rückelektrode oder zwischen zwei unterschiedlichen Anschlusskontakten der Rückelektrode;
– Verändern einer Frequenz der angelegten Spannung oder einer Temperatur des Feldeffekt-Gassensors;
– Bestimmen einer zweiten physikalischen Größe zwischen der Elektrodenlage und einem Anschlusskontakt der Rückelektrode oder zwischen zwei Anschlusskontakten der Rückelektrode; und
– Ermitteln eines Gastyps oder einer Gaskonzentration unter Verwendung der physikalischen Größe und/oder der zweiten physikalischen Größe.

Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusteuern, durchzuführen bzw. umzusetzen. Insbesondere kann das Steuergerät Einrichtungen aufweisen, die ausgebildet sind, um die Schritte des Verfahrens anzusteuern oder auszuführen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- oder Detektionssignale ausgibt. Das Steuergerät 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 Steuergeräts 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.
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 Ansteuerung und/oder Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Steuergerät ausgeführt wird.
Auch schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekt-Gassensors, das die folgenden Schritte aufweist:

– Bereitstellen einer Rückelektrode aus einem Metall oder einem Halbleitermaterial;
– Aufbringen zumindest einer Siliziumdioxidlage auf der Rückelektrode und Aufbringen zumindest einer Metalloxidlage auf der Siliziumdioxidlage;
– Erhitzen der Siliziumdioxidlage und der Metalloxidlage, um eine Dielektrikumslage zu erhalten, die Silikat enthält; und
– Anordnen einer für zumindest ein vorbestimmtes Gas durchlässigen porösen Elektrodenlage auf der Dielektrikumslage, um den Feldeffekt-Gassensors herzustellen.

Unter einem Feldeffekt-Gasensor kann beispielsweise ein Feldeffekttransistor, eine Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur (MIS-Strukturen) und/oder eine Kapazitätsstruktur oder ein anderes elektronisches Bauelement verstanden werden, bei dem sich bei der Adsorption von einem bestimmten Gas oder bestimmten Gasionen eine elektrische physikalisch messbare Größe durch die Wirkung eines elektrischen Feldes verändert. Diese physikalisch messbare Größe kann beispielsweise ein elektrischer Widerstand zwischen zwei Anschlusskontakten der Rückelektrode oder eine Kapazität sein, die zwischen der Elektrodenlage und der Rückelektrode messbar ist. Die Rückelektrode kann eine einfache Metalllage, ein dotiertes Halbleitermaterial bzw. -substrat oder ein Halbleitersubstrat sein, in das ein Source- und Drainbereich mit einem dazwischen liegenden Kanalbereich implantiert ist. in diesem Fall ist der Feldeffekt-Gassensor als Feldeffekt-Transistor ausgebildet.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass mit Hilfe eines Feldeffekt-basierten Gassensors, der ein neuartiges dielektrisches Isolatormaterial nutzt, ein selektiver Nachweis von (Schad-)Gasspezies ermöglicht werden kann. Als neuartiges dielektrisches Isolationsmaterial wird insbesondere eines oder mehrere Materialien verwendet, die sich vom bisher verwendeten SiO₂ oder auch einem bisher bekannten Silizid oder Silizidnitrid (beispielsweise Si₃N₄) als Dielektrikumslage unterscheidet, da sich diese Materialien nicht besonders gut zur Einstellung der Gasselektivität der Dielektrikumsschicht eignen. Gemäß dem hier vorgestellten Ansatz werden für diesen Anwendungszweck folglich neuartige Isolatormaterialien an Feldeffekt-basierten und beispielsweise nanostrukturierten Gassensoren dazu genutzt, um unterschiedliche Sensitivitäten gegenüber verschiedenen (Schad-)Gasspezies auszuprägen. Neben dem bisher bekannten Parameter der Gatemetallvariation liegt damit eine weitere Stellgröße zur Einstellung von Sensitivität und Selektivität Feldeffekt-basierter Gassensoren vor. Die Isolatormaterialien erfüllen einerseits die Aufgabe, elektrisch isolierend und gegenüber korrosiven Umgebungen stabilisierend zu wirken. In erster Linie sind sie jedoch entscheidend für die Empfindlichkeit eines hier vorgestellten Sensors gegenüber bestimmten Gasspezies verantwortlich. So können sich für verschiedene Dielektrika unterschiedliche temperaturabhängige Signalhöhen ergeben, sodass durch geschickte Wahl des Dielektrikums und des Betriebspunktes einzelne Gasspezies bevorzugt detektiert werden können. Die durch den hier vorgestellten Ansatz ermöglichte Selektivität lässt sich ferner weiter verbessern, wenn mindestens zwei unterschiedliche Isolatormaterialien bzw. Dielektrika verwendet und die an diesen oder unter Verwendung dieser beiden Dielektrika gemessene Signale kombiniert ausgewertet werden.
Besonders günstig kann die Dielektrikumslage hergestellt werden, wenn sie zunächst aus einer Siliziumdioxidschicht mit einer darauf angeordneten Metalloxidschicht und einem nachfolgenden Erhitzen wie beispielsweise einem Sintern der beiden Schichten hergestellt wird. Auf diese Weise kann durch das Erhitzen und das Einlagern von Sauerstoff in die Metalloxidmoleküle eine Dielektrikumslage erhalten werden, die Silikat enthält. Eine solche Dielektrikumslage weist die vorstehend genannten guten Eigenschaften in Bezug auf die Einstellung der Gassensitivität auf.
Vorteilhafterweise ist das dielektrische Isolatormaterial aufgrund der porösen Struktur der Gateelektrode (Elektrodenlage) direkt dem zu analysierenden Gas ausgesetzt. Somit lassen sich die Eigenschaften der Wechselwirkung zwischen Dielektrikum und Gasspezies, z. B. Art und Anzahl geeigneter Adsorptionsplätze, über die Wahl des Dielektrikums einstellen, wodurch direkt die Sensitivität gegenüber bestimmten Gasspezies bevorzugt bzw. gehemmt werden kann. Zusätzlich bieten die hier vorgestellten Dielektrikamaterialien Vorteile im Bereich der Stabilität des Bauelements. Die dielektrischen Dünnschichten (die die Dielektrikumslage bilden) der einzelnen Materialien können nämlich in geeigneten Prozessen wie z. B. ALD (ALD = Atomic-Layer-Deposition) in einem so genannten „isotropen Abscheidungsprozess” insbesondere auch kantenkonform abgeschieden werden und dadurch das darunterliegende Bauteil beispielsweise gasdicht vor einer eventuell korrosiven Gasumgebung schützen. Zudem können sie elektrisch hoch isolierend wirken, sodass störende Leckströme unterbunden werden. Weiterhin können diese dielektrischen Dünnschichten als Diffusionsbarrieren z. B. gegenüber einer platinhaltigen Gateelektrode wirken und somit das Bauelement für den Einsatz bei hohen Betriebstemperaturen stabilisieren.
Von Vorteil kann, wie bereits zuvor kurz angesprochen, insbesondere eine Kombination mehrerer Schichten mit gegebenenfalls unterschiedlichen Funktionalitäten zu einem Schichtstapel sein, wobei dieser Schichtstapel die Dielektrikumslage bildet. Beispielsweise könnte man komplett gasdichte Schichten mit solchen kombinieren, die nur für bestimmte Gasspezies permeabel sind, z. B. O₂-Ionenleiter, und so die Gas-induzierte Signalbildung an einem bestimmten Bereich im Schichtstapel bewirken. Eine andere vorteilhafte Ausführungsform dieser Mehrlagenstapel ist beispielsweise die Kombination einer guten Diffusionsbarriere mit einem guten Isolator und einer guten Korrosionsschutzschicht in einer sinnvollen Reihenfolge.
Eine Verwendung von mindestens zwei Sensoren (beispielsweise auf ein und demselben Halbleitersubstrat) mit verschiedenen Dielektrika kann einen verbesserten selektiven Nachweis verschiedener (Schad-)Gasspezies ermöglichen. Dadurch können vorteilhafterweise gleichzeitig mehrere (Schad-)Gase, z. B. NH₃, C₃H₆, NO, H₂, NO₂, CO, CO₂, etc. detektiert werden. Zudem kann auf aufwändige vorgelagerte Selektionsverfahren, wie z. B. einen Einsatz eines zusätzlichen Katalysators zur Vorkatalyse des zu analysierenden Gases, verzichtet werden, da gasselektive Messungen direkt durch die verwendeten Dielektrikamaterialien erreicht werden können. Der gesamte Sensor kann gegebenenfalls als integrierter Gasdetektor samt Auswerteelektronik auf einem Chip prozessiert werden, was kostengünstige gasspezifische Regelsysteme in korrosiven Umgebungen möglich macht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Rückelektrode durch eine Metalllage, eine dotierte Halbleiterlage oder ein Halbleitersubtrat gebildet sein, in dem ein Sourcebereich, ein Drainbereich und ein zwischen dem Sourcebereich und dem Drainbereich liegender Kanalbereich eines Gas-sensitiven Feldeffekttransistors ausgebildet ist, wobei zumindest eine Oberfläche des Kanalbereiches an die Dielektrikumslage angrenzt. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die Erfindung in den unterschiedlichsten Varianten für die Gasdetektion eingesetzt werden kann und somit an die jeweils verwendete Technologie für die Auswertungseinheit angepasst werden kann. Dies bietet wiederum den Vorteil, dass die Möglichkeit besteht, die Gasdetektoren auf einem Halbleitersubstrat zu fertigen, wobei für unterschiedliche Auswerteschaltungsdesigns auch unterschiedliche Ausführungsformen der Gassensoren implementiert werden können, wobei dennoch die zuvor genannten Effekte vorteilhaft ausgenutzt werden können. Auch können die unterschiedlichen Ausführungsformen der Gassensoren unterschiedliche Sensitivitäten bei unterschiedlichen Gastypen aufweisen, so dass durch den Freiheitsgrad der unterschiedlichen Auslegung eines Gassensors der hier beschriebene Ansatz zur hoch-präzisen Gasdetektion eingesetzt bzw. angepasst werden kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Dielektrikumslage ein Material aufweist, das zumindest teilweise aus Al₂O₃, HfO₂, Ta₂O₅, TiO₂ und/oder nichtoxidischen Keramiken, insbesondere Si₃N₄, BN, TiN, SiC, TaSi, W₂Si und/oder Boriden, besteht oder zumindest eines dieser Materialen enthält. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die in diesem Absatz genannten Materialien eine hohe thermische Stabilität und eine hohe elektrische Isolationsfähigkeit aufweisen. Auch ist eine Diffusionsschutzschicht gegenüber Verunreinigungen aus der Atmosphäre oder aus Abgas sowie eine Diffusionsschutzschicht gegenüber einer katalytisch wirkenden aktiven Metallelektrode aus den vorstehend genannten Materialien als sehr stabil zu betrachten.
Auch kann gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Dielektrikumslage ein Material aufweisen, das zumindest teilweise aus ZrO₂, SnO₂, Gd₂O₃, CeO₂, La₂O₃, Pr₂O₃ und/oder Mischoxide, insbesondere Zr_xCe_yO₂, Gd_xCe_yO₂, Y_xZr_y-xO₂, Y_xHf_y-xO₂, besteht oder zumindest eines dieser Materialen enthält, wobei die Indizes x und y Platzhalter für natürliche Zahlen repräsentieren. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine Dielektrikumslage aus den in diesem Absatz genannten Materialien eine sehr gute Eigenschaft als Sauerstoffadsorptionsschicht aufweist und somit ein Gassensor geschaffen werden kann, der eine hohe Sensitivität für Sauerstoff aufweist.
Ferner kann gemäß einer weiteren Ausführungsform die Dielektrikumslage ein Material aufweisen, das zumindest teilweise aus In₂O₃, SnO₂, WO₃, Gd₂O₃, CeO₂, La₂O₃, Pr₂O₃, Al₂O₃ und/oder Perovskiten, insbesondere BaTiO₃ oder SrTiO₃, besteht oder zumindest eines dieser Materialen enthält. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine Dielektrikumslage aus den in diesem Absatz genannten Materialien einen Gassensor mit einer sehr guten Sensitivität für Stickoxide ermöglicht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Material der Dielektrikumslage mit einem Dotierungsmaterials dotiert ist. Durch die Dotierung entstehen Fehlstellen an der Dielektrumsoberfläche oder innerhalb der Dielektrikumslage. Eine derartige Ausführungsform der Erfindung bietet den Vorteil, dass hierdurch die Sensitivität des Gassensors für einen Gastyp weiter verstärkt werden kann.
Auch kann in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das das Material der Dielektrikumslage in amorpher, polykristalliner und/oder kristalliner Form vorliegen, oder bei dem die Dielektrikumslage durch ein Atomic-Layer-Deposition-Verfahren hergestellt ist. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine äußerst dichte und kantenkonforme Dielektrikumschicht oder -lage ausgebildet werden kann, bei der die Dielektrikumsschicht zusätzlich die Funktion der Bauteilpassivierung zum Schutz der darunterliegenden Schicht vor gegebenenfalls korrosiven Gasumgebungen ermöglicht.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Dielektrikumslage eine erste Teillage und eine an die erste Teillage angrenzende zweite Teillage aufweisen, wobei die erste Teillage aus einem anderen Material besteht als die zweite Teillage. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die Eigenschaften von zwei unterschiedlichen Materialien als Dielektrikumsschicht kombiniert werden können, so dass sich eine derart aufgebaute Dielektrikumsschicht oder -lage sehr günstig auf die gesamte Sensitivität des herzustellenden Gassensors auswirkt.
Um möglichst einen integrierten Gassensor mit einer hohen Packungsdichte von einzelnen Gassensoren zu ermöglichen, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf einer der Dielektrikumslage gegenüberliegenden Seite der Rückelektrode eine zweite Dielektrikumslage angeordnet sein, die ein Material aufweist, das sich vom Material der Dielektrikumslage unterschiedet, wobei ferner auf einer der Rückelektrode gegenüberliegenden Seite der zweiten Dielektrikumslage eine an die zweite Dielektrikumslage angrenzende poröse zweite Elektrodenlage angeordnet sein kann, wobei die zweite Elektrodenlage für zumindest ein vorbestimmtes Gas durchlässig ist.
Günstig ist es auch, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Gasdetektor geschaffen wird, der einen vorstehend beschriebenen Feldeffekt-Gassensor sowie ein Steuergerät aufweist, das Einheiten aufweist, die ausgebildet sind, um die Schritte des vorstehend beschriebenen Verfahrens auszuführen oder anzusteuern. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass hierdurch ein kompakter Gasdetektor samt zugehöriger Auswerteschaltung prozessiert werden kann, bei dem ferner zugleich die entsprechend notwendigen Kalibrierungen werkseitig durchgeführt werden können und der somit sehr schnell einsetzbar ist und zuverlässige Messresultate liefern kann.
Günstig ist es, wenn das Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekt-Gassensors im Schritt des Aufbringens das Aufbringen zumindest einer weiteren Siliziumdioxidlage auf die Metalloxidlage und einer weiteren Metalloxidlage auf der weiteren Siliziumdioxidlage aufweist. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass durch eine Abfolge von beispielsweise sehr dünnen aufzubringenden Lagen aus Siliziumdioxid und Metalloxid eine sehr gute Vorverteilung der Grundbausteine für das herzustellende Silikat in der Dielektrikumslage möglich wird. Die durch das Erhitzen hergestellte Dielektrikumslage wird folglich eine hohe Homogenität und somit gute elektrische Eigenschaften in Bezug auf die Einstellung der Sensitivität aufweisen.
Gemäß einer günstigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren zur Herstellung des Feldeffekt-Gassensors im Schritt des Erhitzens die Siliziumdioxidlage und die Metalloxidlage auf eine Temperatur aufheizen, die im Temperaturbereich von 100°C bis 1200°C, insbesondere im Temperaturbereich von 300°C bis 600°C liegt. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die Bildung von Silikat aus den erhitzen Schichten sehr gut durchgeführt werden kann, so dass sich eine möglichst störstellenfreie Dielektrikumsschicht realisieren lässt.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen Sensoraufbau als gassensitiver Feldeffekttransistor, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2a einen Querschnitt durch einen Sensoraufbau als gassensitive Halbleiter-Kapazitätsstruktur mit einer geeigneten Materialkombination für einen Mehrschicht-Gatestapel, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2b einen Querschnitt durch einen Sensoraufbau als gassensitive Halbleiter-Kapazitätsstruktur mit einer geeigneten Materialkombination für einen Mehrschicht-Gatestapel, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 einen Querschnitt durch einen Sensoraufbau als gassensitive Halbleiter-Kapazitätsstruktur, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 einen Querschnitt durch einen Sensoraufbau als gassensitive Kondensatorstruktur, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 einen Querschnitt durch einen Sensoraufbau als gassensitive Halbleiter-Kapazitätsstruktur mit zwei gassensitiven Halbleiter-Kapazitätsstrukturen und zwei unterschiedlichen Dielektrika integriert in einem Chip oder auf einem Substrat, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 einen Querschnitt durch einen Sensoraufbau als gassensitive Halbleiter-Kapazitätsstruktur mit zwei gassensitiven Halbleiter-Kapazitätsstrukturen und zwei unterschiedlichen Dielektrika integriert in einem Chip oder auf einem Substrat, mit thermischem und elektrischen Isolator, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
7 ein Diagramm mit Signalhöhen und deren Zuordnung zu Konfidenzintervallen zweier Sensoren mit unterschiedlichen Dielektrika bei NH₃-Beaufschlagung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 ein Diagramm mit Signalhöhen und deren Zuordnung zu Konfidenzintervallen zweier Sensoren mit unterschiedlichen Dielektrika bei NO₂-Beaufschlagung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Detektion von Gas, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als Verfahren; und
10 Blockschaltbild eines Gasdetektors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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.
Für einen hier vorgestellten Feldeffekt-basierten Sensor können insbesondere bestimmte Aufbauprinzipien verwendet werden, wobei ein Aufbau als gassensitiver Feldeffekttransistor (ChemFET), ein Aufbau als gassensitive Halbleiter-Kapazitätsstruktur mit einer Gaselektrode, einem Dielektrikum und einem Halbleiter und ein Aufbau als gassensitive Kondensatorstruktur mit einer Gaselektrode, einem Dielektrikum und einer Gegenelektrode besonders vorteilhaft sind.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen Sensoraufbau als gassensitiver Feldeffekttransistor (ChemFET) 100, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind eine gassensitive, poröse Gateelektrode 110, ein Dielektrikum 120, ein Source-Kontaktanschluss 130, ein Drain-Kontaktanschluss 140 sowie ein Halbleitersubstrat 150. Gemäß der Darstellung in 1 liegen das Dielektrikum 120, der Source-Kontaktanschluss 130 und der Drain-Kontaktanschluss 140 auf dem Halbleitersubstrat 150 auf. Die Gateelektrode 110 liegt auf den Dielektrikum 120 auf. Unterhalb des Source-Kontaktanschlusses 130 befindet sich ein erster dotierter Bereich als Source 160 des Halbleitersubstrats 150, und unterhalb des Drain-Kontaktanschlusses 140 befindet sich ein zweiter dotierter Bereich als Drain 170 des Halbleitersubstrats 150. Mit Anlegen einer Spannung an die Gateelektrode 110 bildet beziehungsweise verändert sich eine zwischen der Source 160 und dem Drain 170 angeordnete Raumladungszone 180 des Halbleitersubstrats 150. Analoges gilt auch für den Fall, dass sich geladene Gasionen an der Gateelektrode anlagern und somit eine Spannungserhöhung an der Gateelektrode bewirken.
Gassensitiver Feldeffekttransistor (ChemFET)
Der in 1 gezeigte gassensitive Feldeffekttransistor 100 wird aus dem Halbleitersubstrat 150, z. B. Si, GaAs, GaN, SiC, etc., den Kontakten 130 für die Source 160 und dem Drain 140 sowie dem gassensitiven, elektrisch leitfähigen und nanoporös strukturierten Gate 110, bestehend beispielsweise aus Pt, Pd, Rh, Re, Ir, Ru, Au, Ag, Cr, etc. aufgebaut. Zwischen der Gateelektrode 110 und dem Halbleiterkanal 180 befindet sich die mindestens eine Dünnschicht 120 aus einem dielektrischen Material. Für das Dielektrikum können verschiedene Materialklassen mit entsprechenden Vorteilen zum Einsatz kommen.
So umfasst eine erste Gruppe von Materialien für das Dielektrikum 120 SiO₂; Si₃N₄, und/oder SiO₂/Si₃N₄. Die Vorteile dieser Materialein bestehen in einer guten Grenzflächenzustandsdichte und einer Haftvermittlerfunktion zwischen dem Halbleitersubstrat 150 und weiterer dielektrischer Dünnschichten 120.
Eine zweite Gruppe von Materialien für das Dielektrikum 120 umfasst Al₂O₃, HfO₂, Ta₂O₅, TiO₂ und/oder nichtoxidische Keramiken wie z. B. Si₃N₄, BN, TiN, SiC, TaSi, W₂Si und/oder Boride. Die Vorteile dieser Materialien lassen sich in einer hohen thermischen Stabilität, einer hohen elektrischen Isolationsfähigkeit, sowie der Ausbildungsmöglichkeit für eine stabile Diffusionsschutzschicht gegenüber Verunreinigungen aus der Atmosphäre bzw. Abgas, z. B. Alkali, Erdalkali, Schwermetallionen, Silizium, Schwefel, etc. und einer Ausbildungsmöglichkeit für eine stabile Diffusionsschutzschicht gegenüber der katalytisch aktiven Metallelektrode 110 zusammenfassen, wobei die Metall- oder Gateelektrode 110 beispielsweise Platin, Rhodium, Rhenium, Palladium, Gold, Chrom, Iridium und Mischungen davon aufweist.
Eine dritte Gruppe von Materialien für das Dielektrikum 120 umfasst ZrO₂, SnO₂, Gd₂O₃, CeO₂, La₂O₃, Pr₂O₃ und/oder Mischoxide, wie Zr_xCe_yO₂, Gd_xCe_yO₂, Y_xZr_y-xO₂, Y_xHf_y-xO₂. Hierbei repräsentieren die Indizes x und y Platzhalter für natürliche. Zahlen. Der Vorteil bei der Verwendung dieser Materialien als Dielektrikum zeigt sich in einer Ausbildungsmöglichkeit für eine Sauerstoffadsorptionsschicht, die für einen Sauerstoffionenein- und -ausbau durch gezielte Fehlstellen im Gitter geeignet ist.
Eine vierte Gruppe von Materialien für das Dielektrikum 120 schließlich umfasst In₂O₃, SnO₂, WO₃, Gd₂O₃, CeO₂, La₂O₃, Pr₂O₃, Al₂O₃ und/oder Perovskite, wie BaTiO₃, SrTiO₃. Die Verwendung von Materialien aus dieser vierten Gruppe ermöglicht Vorteile in Bezug auf die Ausbildungsmöglichkeit für eine NO_x- bzw. eine NO- und NO₂-sensitive Dünnschicht und eine hohe Wechselwirkungstendenz einer solchen Diekelektrikumslage für Stickoxide.
Die vorstehend genannten Gruppen von Materialien bilden die Basis für die neuartige Isolationsschicht und werden nicht nur für den ChemFET sondern auch für die nachfolgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eingesetzt. Dabei kann auch nur ein Material aus einer der genannten Gruppen verwendet werden, um die gegenüber dem Stand der Technik besonders gute Sensitivität des Gassensors begründen zu können.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung verwenden beispielsweise auch einen Mehrschichtaufbau des Dielektrikums. 2a und 2b zeigen hierfür zwei Varianten geeigneter Schichtkombinationen eines Gatestapels. 2a zeigt einen Detailausschnitt eines Querschnitts durch einen Sensoraufbau als gassensitive Halbleiter-Kapazitätsstruktur 200. Der gassensitive Feldeffekttransistor 200 umfasst einen Stapel, der von oben nach unten betrachtet aus der gassensitiven, porösen Metallelektrode 110, einem ersten Dielektrikum 210, eifern zweiten Dielektrikum 220 und dem Halbleitersubstrat 150 zusammensetzt ist. Gemäß der Darstellung in 2a besteht das erste Dielektrikum 210 aus einem Material aus der dritten oder vierten der oben genannten Gruppen und das zweite Dielektrikum 220 aus der ersten oder zweiten der oben genannten Gruppen von Materialklassen für die Dünnschicht, d. h. die Dielektrikumslage. 2b zeigt einen Detailausschnitt eines Querschnitts durch einen weiteren Sensoraufbau als gassensitive Halbleiter-Kapazitätsstruktur 250. Der Feldeffekttransistor 250 umfasst einen Stapel, der von oben nach unten betrachtet aus der gassensitiven, porösen Metallelektrode 110, wiederum einem ersten Dielektrikum 210, dann einem zweiten Dielektrikum 230, einem dritten Dielektrikum 240 und wiederum dem Halbleitersubstrat 150 zusammengesetzt ist. Gemäß der Darstellung in 2b ist das Material für das erste Dielektrikum 210 wiederum aus der dritten oder vierten der oben genannten Gruppen entnommen, während das zweite Dielektrikum 230 aus der zweiten und das dritte Dielektrikum 240 aus der ersten der oben genannten Gruppen von Materialklassen entnommen ist. Gemäß den Darstellungen in den 2a und 2b können die dielektrischen Dünnschichten 210, 220, 230, 240 in amorpher, polykristalliner oder kristalliner Phase vorliegen.
Aus den Darstellungen in den 1, 2a und 2b ist ersichtlich, dass aufgrund der porösen Ausführung der Gateelektrode 110 Gasspezies direkten Zugang zur Oberfläche des Dielektrikums 120, 210, 220, 230 bzw. 240 haben und mit diesem in Wechselwirkung treten können. In Abhängigkeit dieser Gasspezies ändert sich folglich die Ladungsträgerkonzentration im Kanal 180 zwischen der Sourceelektrode 130 und der Drainelektrode 140, sodass die Anwesenheit eines Gases anhand der Änderung des Kanalstroms erkannt werden kann, wenn der Gassensor als Feldeffekttransistor ausgebildet ist. Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung beträgt eine laterale Dimension der gassensitiven Gateelektrode 110 zwischen 10 μm² und 10000 μm², insbesondere zwischen 100 und 1000 μm², und Schichtdicken des Dielektrikaschichtstapels liegen zwischen 1 nm und 1 μm, insbesondere zwischen 10 nm und 200 nm. Bei Verwendung von Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke (z. B. SiC, GaN, ...) sind Betriebstemperaturen im Bereich zwischen 0°C und 700°C, insbesondere zwischen 100°C und 500°C möglich.
Der Aufbau der Dielektrikumslage gemäß den Darstellungen aus 2a und 2b kann analog auch für den Aufbau einer Dielektrikumslage eines gassensitiven Feldeffekttransistors gemäß der Darstellung aus 1 verwendet werden.
3 zeigt einen Querschnitt durch einen Sensoraufbau als gassensitive Halbleiter-Kapazitätsstruktur 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die gassensitive Halbleiter-Kapazitätsstruktur 300 umfasst mindestens eine gassensitive, elektrisch leitfähige und nanoporös strukturierte Metalloberfläche als Elektrodenlage, die beispielsweise aus Pt, Pd, Rh, Re, Ir, Ru, Au, Ag, Cr, etc. hergestellt ist. Die Metalloberfläche bildet eine gassensitive, poröse Metallelektrode 310. Diese befindet sich in Kontakt mit einem Dielektrikum 320 aus mindestens einem dielektrischen Isolatormaterial bzw. einem Stapel aus verschiedenen dielektrischen Isolatormaterialien. Das Dielektrikum 320 liegt auf einem Halbleitersubstrat 330 auf. Für das Isolatormaterial bzw. die Isolatormaterialien 320 kommen die gleichen Materialien bzw. Materialgruppen in Frage, die bereits oben im Zusammenhang mit dem gassensitiven Feldeffekttransistor aus der 1 beschrieben sind. Die dielektrischen Dünnschichten 320 können in amorpher, polykristalliner oder kristalliner Phase vorliegen. Die unterhalb des Isolatormaterials bzw. der Isolatormaterialen 320 angeordnete Halbleiterschicht 330, z. B. aus Si, GaAs, GaN, SiC, etc. ist gegebenenfalls dotiert. Ihre Ladungsträgerkonzentration und damit die Kapazität der Gesamtstruktur kann sich somit abhängig von der Wechselwirkung der Gasspezies mit der Oberfläche der Metallelektrode 310 und des Dielektrikums 320 ändern. Weitere Größen, die zur gasabhängigen Signalauswertung gemessen werden können, sind z. B. der Leitwert, die Permittivität, der Phasenwinkel, der Verlustwinkel, der Dissipationskoeffizient, der Realteil der komplexen Impedanz und der Imaginärteil der komplexen Impedanz dieser Halbleiter-Kapazitätsstruktur 300. Auch können die genannten physikalischen Größen zur Bestimmung des Gastyps oder der Gaskonzentration bei Verwendung eines gassensitiven Feldeffekttransistors gemäß der Darstellung aus 1 verwendet werden. Eine laterale Dimension der gassensitiven Oberfläche beträgt zwischen 10 μm² und 10 mm², insbesondere 10000 μm² und 90000 μm², Schichtdicken des Dielektrikaschichtstapels 320 liegen zwischen 1 nm und 1 μm, insbesondere zwischen 10 nm und 200 nm. Bei Verwendung von Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke (z. B. SiC, GaN, ...) sind auch hier Betriebstemperaturen im Bereich zwischen 0°C und 700°C, insbesondere zwischen 100°C und 500°C möglich.
4 zeigt einen Querschnitt durch einen Sensoraufbau als gassensitive Kondensatorstruktur 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die gassensitive Kondensatorstruktur 400 besteht aus einer gassensitiven, elektrisch leitfähigen und nanoporös strukturierten Metallelektrode 410, einer Gegenelektrode bzw. Rückelektrode 420, die beispielsweise aus einem Metall oder eigenleitenden Halbleitermaterial gefertigt ist, mindestens einer dielektrischen Dünnschicht 430, die die beiden Elektroden 410, 420 voneinander trennt sowie einem Substrat 440. Als Dielektrika 430 kommen die gleichen Materialien bzw. Materialgruppen zum Einsatz wie sie bereits vorstehend im Zusammenhang mit dem gassensitiven Feldeffekttransistor beschrieben wurden. Die dielektrischen Dünnschichten 430 können in amorpher, polykristalliner oder kristalliner Phase vorliegen.
Auch bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der gassensitiven Kondensatorstruktur 400 können zu analysierende Gasspezies direkt mit einer Oberfläche des Dielektrikums 430 in Wechselwirkung treten und dadurch zu einer gasabhängigen Änderung beispielsweise der Kapazität, des Leitwerts, der Permittivität, dem Phasenwinkel, dem Verlustwinkel, dem Dissipationskoeffizient, dem Realteil der komplexen Impedanz und dem Imaginärteil der komplexen Impedanz führen. Eine laterale Dimension der gassensitiven Oberfläche beträgt zwischen 10 μm² und 10 mm², insbesondere 10000 μm² und 90000 μm², Schichtdicken des Dielektrikaschichtstapels 430 liegen zwischen 1 nm und 1 μm, insbesondere zwischen 10 nm und 200 nm. Betriebstemperaturen der gassensitiven Kondensatorstruktur 400 liegen zwischen 0°C und 1000°C, insbesondere zwischen 100°C und 500°C.
Sollen Sensorsignale von mehreren verschiedenen Dielektrika zur Auswertung herangezogen werden, können die notwendigen unterschiedlichen dielektrischen Dünnschichten entweder auf einem Chip oder Halbleitersubstrat realisiert werden, indem mehrere Sensoraufbauten, z. B. ein gassensitiver Feldeffekttransistor, eine gassensitive Halbleiter-Kapazitätsstruktur und eine gassensitive Kondensatorstruktur, nebeneinander prozessiert werden. Alternativ können die verschiedenen Dielektrika auf mehrere diskrete Chips oder Halbleitersubstrate verteilt werden. Weitere Varianten des Sensoraufbaus sind in den 5 und 6 gezeigt:
So zeigt 5 einen Querschnitt durch einen Sensoraufbau als gassensitive Halbleiter-Kapazitätsstruktur 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind in Form eines schichtartigen Stapels eine erste gassensitive, poröse, Metallelektrode 510, ein erstes Dielektrikum 520, ein Halbleitersubstrat 530, ein zweites Dielektrikum 540 und eine zweite gassensitive, poröse Metallelektrode 550, die sämtlich in einem Chip oder Halbleitersubstrat integriert sind.
Der Sensoraufbau 500 kann alternativ zu der gezeigten Kombination von zwei Halbleiter-Kapazitätsstrukturen auch eine Kombination von zwei Feldeffekttransistoren, oder zwei Kondensatorstrukturen, welche sich ein und dieselbe Halbleiterschicht bzw. Gegenelektrode 530 teilen, aufweisen. Die Halbleiterschicht bzw. Gegenelektrode 530 wird relativ dick gewählt (zwischen 0,1 mm und 10 mm, insbesondere 0,5 mm) und dient als Trägermaterial. Darüber hinaus kann die Halbleiterschicht bzw. Gegenelektrode 530 die Funktion eines Heizelementes übernehmen, indem eine entsprechende Spannung an die Enden der Schicht angelegt wird. Der resultierende Strom heizt das Substrat bzw. Bulk 530. Für eine Messwerterfassung, z. B. eine Kapazitäts- bzw. Leitwertmessung, wird der Heizprozess (beispielsweise für einige Millisekunden) unterbrochen, um Interferenzen zu vermeiden. Durch eine jeweils getrennte Kapazitätsmessung der unteren bzw. oberen Sensorstruktur 500 können zwei Sensoren auf einen Chip prozessiert werden, welche sich dieselbe Halbleiterschicht bzw. Gegenelektrode 530 teilen. Damit können auf einem Sensorelement 500 kostengünstig mindestens zwei verschiedene Dielektrika 520, 540 realisiert werden.
6 zeigt einen Querschnitt durch einen Sensoraufbau als gassensitive Halbleiter-Kapazitätsstruktur 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind in Form eines schichtartigen Stapels eine erste gassensitive, poröse, Metallelektrode 610, ein erstes Dielektrikum 620, ein erstes Halbleitersubstrat 630, ein thermischer und elektrischer Isolator 640, ein zweites Halbleitersubstrat 650, ein zweites Dielektrikum 660 und eine zweite gassensitive, poröse Metallelektrode 670, die sämtlich in einem Chip oder Halbleitersubstrat integriert sind.
Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel des Gassensors 600 handelt es sich um eine Abwandlung des in 5 gezeigten Gassensors insofern, als hier zwei getrennte Halbleitermaterialien bzw. Gegenelektroden 630 und 650 eingesetzt werden. Diese sind durch den thermischen und elektrischen Isolator 640 voneinander getrennt, sodass beide Strukturen bei verschiedenen Temperaturen betrieben werden können.
An den im Zusammenhang mit den 1 bis 6 beschriebenen Sensoraufbauten 100, 200, 250, 300, 400, 500 und 600 ist stets die gassensitive Metalloberfläche einer zu analysierenden Gasatmosphäre ausgesetzt, während alle Zuleitungen gasdicht passiviert oder offen sein können. Generell können zwei Signalpolaritäten auftreten. So kann z. B. im Falle einer kapazitiven Signalauswertung eine Erhöhung bzw. Verringerung der Kapazität auftreten, oder es kann, wie z. B. im Falle eines gassensitiven Feldeffekttransistors, ein größerer bzw. kleinerer Kanalstrom auftreten. Würde lediglich ein Sensor ohne die Verwendung externer Selektionsmechanismen eingesetzt, wäre es nicht oder nur schwer möglich, Signale verschiedener Gase selektiv aufzulösen. Beispielsweise könnte nicht ausgeschlossen werden, dass das Signal eines Gases mit positiver Kapazitätsänderung durch ein Signal eines Gases mit negativer Kapazitätsänderung überlagert, abgeschwächt und im Extremfall völlig aufgehoben wird. Mit Hilfe der hier gezeigten Erfindung können jedoch bei geeigneter Wahl des Dielektrikums einzelne Gasspezies bevorzugt detektiert werden. Dies wird im Folgenden ausführlicher erläutert.
Je nach Betriebstemperatur lagern sich die zu detektierenden Gasspezies an der Metall-Isolator-Grenzfläche bzw. auf der Oberfläche des Dielektrikums 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660 molekular an oder adsorbieren – nach vorheriger Reaktion an der nanoporös strukturierten, katalytisch aktiven Gaselektrode 110, 310, 410, 510, 610 – ionisiert bzw. dissoziiert auf der offen liegenden Oberfläche des Dielektrikums 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660. Die Adsorption am Dielektrikum 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660 ist dabei der dominierende Effekt für den signalbildenden Mechanismus und ist maßgeblich durch die materialabhängige elektronische Oberflächenstruktur des Dielektrikums 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660 bestimmt. Eine Variation des verwendeten Isolatormaterials kann somit die Wechselwirkung und dadurch die Sensitivität gegenüber bestimmten Gasspezies begünstigen bzw. hemmen.
Weiterhin kann eine gasspezifische Eindiffusion vom zu analysierenden Gas in das Dielektrikum 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660 zur Sensorsignalbildung führen. Dabei kann es zu einer gasinduzierten Änderung bspw. der Permittivität des Dielektrikums 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660 kommen. Dies verändert die elektrostatische Wirkung adsorbierter Gasionen und führt somit ebenfalls zu einer Änderung der gemessenen physikalischen Größe. Dieser Effekt ist ebenfalls stark von der elektronischen Struktur des Dielektrikums 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660 abhängig.
Schließlich wirkt sich die Wahl des Dielektrikums 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660 in einem dritten Effekt auf die Sensitivität und Selektivität des Sensors 100, 200, 250, 300, 400, 500, 600 aus: Abhängig von der Beschaffenheit des Dielektrikums 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660 kann sich die katalytische Aktivität der darauf aufgebrachten nanoporös strukturierten Gaselektrode 110, 310, 410, 510, 610 entscheidend ändern. Bewirkt beispielsweise das verwendete Dielektrikum 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660 eine Verringerung der katalytischen Aktivität der aufgebrachten nanostrukturierten Metallpartikel, werden folglich Gase, die zur Detektion eine katalytisch hoch aktive Gaselektrode 110, 310, 410, 510, 610 benötigen, nicht mehr erkannt.
Zusätzlich kann die Abhängigkeit der Sensitivität von der Wahl des Dielektrikums 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660 in einer weiteren Ausführungsvariante dadurch verstärkt werden, dass die dielektrische Dünnschicht gezielt dotiert wird. Hierbei entstehen z. B. Fehlstellen an der Oberfläche des Dielektrikums 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660 oder innerhalb der Dünnschicht. Diese Fehlstellen können wiederum als Adsorptionsplätze für bestimmte Gasspezies dienen, wodurch sich die Sensorempfindlichkeit gegenüber diesen Gasspezies im Vergleich zum undortierten Dielektrikum 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660 erhöht. Mögliche Dotierstoffe sind z. B. Pt, Pd, Y bzw. YO₂, etc.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann eine geeignete Wahl der Messfrequenz dazu genutzt werden, -spezifische Selektivitäten in Abhängigkeit des Dielektrikums 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660 auszuprägen: Ein Wechselstromleitwert von verschiedenen Dielektrikamaterialien kann je nach Frequenz isolierende oder leitende Eigenschaften aufweisen. Dies geschieht im Allgemeinen für unterschiedliche Dielektrika 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660 bei unterschiedlichen Frequenzen. In dieser Ausführungsvariante wird dieser Effekt genutzt, um die Wirkung signalbildender, an der gassensitiven Elektrode adsorbierter Gasspezies gezielt ein- bzw. auszuschalten: Werden die Frequenz und das Dielektrikum so gewählt, dass das Dielektrikum 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660 bei dieser Frequenz leitend wirkt, werden adsorbierte Gasspezies abgeschirmt, die Sensitivität gegenüber dieser Gasspezies folglich ausgeschaltet. Werden die Frequenz und das Dielektrikum hingegen so gewählt, dass das Dielektrikum 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660 bei dieser Frequenz isolierend wirkt, können die adsorbierten Gasspezies detektiert werden. Diese Ausführungsvariante betrifft folglich sämtliche Feldeffekt-basierten Gassensoren mit Isolatormaterial, z. B. Feldeffekttransistor-Gassensoren, Metall-Isolator-Halbleiter-Gassensoren und Kapazitätsstruktur-Gassensoren mit einer gassensitiven Elektrode, einer Gegenelektrode und mind. einem dazwischen liegendem Dielektrikum.
Neben der maßgeblichen Beeinflussung der sensitiven Eigenschaften bieten sich zusätzlich mit den hier vorgeschlagenen Dielektrika 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660 weitere Vorteile. So können zur Abscheidung der dielektrischen Dünnschichten Verfahren wie z. B. Atomic-Layer-Deposition verwendet werden, wodurch äußerst dichte und kantenkonforme Schichten erzeugt werden können. Folglich übernimmt das Dielektrikum zusätzlich die Funktion einer Bauteilpassivierung zum Schutz darunterliegender Schichten vor der gegebenenfalls korrosiven Gasumgebung. Ferner verhindern die Dielektrika 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660 mit ihrer elektrisch hoch isolierenden Wirkung störende Leckströme selbst bei hohen Betriebstemperaturen. Die katalytisch aktive Gateelektrode 110, 310, 410, 510, 610 besteht gemäß dem Stand der Technik aus Nanopartikeln eines katalytisch aktiven Metalls, z. B. Pt, Pd, etc. Diese Nanopartikel neigen insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen dazu, ins Bauelement einzudiffundieren. Dabei werden Störstellen erzeugt, die das Bauelement und seine elektrischen bzw. sensitiven Eigenschaften irreversibel verändern bzw. langfristig zerstören können. Hier können die vorgeschlagenen Dielektrika 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660 als Diffusionsbarrieren gegenüber eindiffundierenden Metallpartikeln wirken und somit einen stabilen Betrieb mit erheblich verlängerter Lebensdauer des Gassensors 100, 200, 250, 300, 400, 500, 600 ermöglichen. Zudem ermöglichen chemisch inerte Dielektrika 120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660 den stabilen Einsatz des Sensors 100, 200, 250, 300, 400, 500, 600 in rauen (Abgas-)Umgebungen.
Durch Verwendung von mindestens zwei verschiedenen Dielektrikamaterialien können bei Kenntnis der entsprechenden temperaturabhängigen Signalhöhen einzelne Gase bevorzugt gemessen werden. Dies wird exemplarisch anhand von Messungen in 7 und 8 deutlich.
7 zeigt ein Diagramm mit Signalhöhen und deren Zuordnung zu Konfidenzintervallen dreier Sensoren mit unterschiedlichen Dielektrika bei einer NH₃-Beaufschlagung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem Koordinatensystem ist auf der Abszisse eine Temperatur in °C in Schritten von 60°C aufgetragen und auf der Ordinate eine schematische Signalstärke bei NH₃-Beaufschlagung in Intervallen von 100 aufgetragen. Das Koordinatensystem zeigt drei Signalverläufe 710, 720, 730 unterschiedlicher Sensoren.
Gezeigt sind mittels des Graphen 710 gemessene Signalstärken bei Ammoniak-Beaufschlagung eines Sensors mit einem Al₂O₃-Dielektrikum. Ferner sind mittels des Graphen 720 gemessene Signalsignalstärke eines Sensors mit Si₃N₄-Dielektrikum gezeigt. Im Vergleich dazu ist mittels des Graphen 730 zusätzlich ein Signalstärkenverlauf für einen Sensor mit dem Standarddielektrikum SiO₂ gezeigt. Während bei einer Betriebstemperatur der Si₃N₄- und Al₂O₃-Sensoren von 60°C die Sensitivitäten gegenüber NH₃ nahezu identisch sind, zeigt das Bauelement mit Al₂O₃-Dielektrikum bei 300°C eine deutlich erhöhte Sensitivität gegenüber NH₃. Gleichzeitig geht die NH₃-Sensitivität des Bauelements mit Si₃N₄-Dielektrikum bei 300°C auf ein Minimum zurück. Ist dieses charakteristische Verhalten der beiden mittels der Graphen 710 und 720 charakterisierten Sensoren a-priori bekannt, kann durch kombinierte Auswertung der Signalstärke in den verschiedenen Betriebspunkten eindeutig auf die Gegenwart eines bestimmten Gases geschlossen werden. Für die in 7 anhand der Signalverläufe 710, 720, 730 gezeigten Sensoren würde eine Messung bei 300°C mit den Si₃N₄- und Al₂O₃-Sensoren genügen, um selektiv NH₃ zu detektieren. Zusätzlich können jedoch stets weitere Messpunkte bei weiteren Betriebstemperaturen verwendet werden, um anhand des jeweils charakteristischen Temperatur-/Sensitivitätsverlaufs eindeutig auf eine vorliegende Gasumgebung zu schließen.
8 zeigt ein Diagramm mit Signalhöhen und deren Zuordnung zu Konfidenzintervallen dreier Sensoren mit unterschiedlichen Dielektrika bei einer NO₂-Beaufschlagung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dem Koordinatensystem aus 7 sind drei Signalverläufe 810, 820, 830 unterschiedlicher Sensoren gezeigt. Der Graph 810 zeigt die NO₂-Sensitivität eines ersten der drei Sensoren mit Al₂O₃-Dielektrikum, der Graph 820 zeigt die NO₂-Sensitivität eines zweiten der drei Sensoren mit Si₃N₄-Dielektrikum und der Graph 830 zeigt die NO₂-Sensitivität eines dritten der drei Sensoren mit SiO₂-Dielektrikum. Wiederum kann durch kombinierte Auswertung der Signalstärken in den verschiedenen Betriebspunkten mithilfe der rechts des Diagramms vertikal aufgetragenen Konfidenzintervallen eindeutig auf die Gegenwart eines bestimmten Gases geschlossen werden.
Gemäß den in den 7 und 8 gezeigten Messergebnisse wird mit einer im Nachfolgenden aufgeführten Tabelle 1 deutlich, wie anhand typischer „Muster” – hier bestimmt bei insgesamt drei Messpunkten – zwischen einer Anwesenheit von NH₃ und NO₂ unterschieden werden kann. So ergibt sich für die Anwesenheit von NH₃ nach Zuordnung der Messpunkte zu entsprechenden an der rechten Seite des Diagramms angegebenen Konfidenzintervallen ein charakteristisches Muster der schematischen Signalstärken des Al₂O₃- und Si₃N₄-Dielektrikums, nämlich 3/6/11 für Al₂O₃ und 3/4/2 für Si₃N₄. Dieses Muster unterscheidet sich von einem Muster der schematischen Signalstärken bei Anwesenheit von NO₂, das durch 5/6/7 für Al₂O₃ und 6/7/4 für Si₃N₄ gekennzeichnet ist. Die Informationstiefe kann durch Auswertung weiterer Betriebspunkte und/oder durch Verwendung weiterer Dielektrika vergrößert werden. Letzteres wird bspw. in den Abbildungen der 7 und 8 durch den Sensitivitätsverlauf des Standarddielektrikums SiO₂ deutlich. Tabelle 1: Signalstärkenmuster zweier Dielektrika bei drei unterschiedlichen Betriebspunkten

Gasspezies Dielektrikum 60°C 180°C 300°C

NH₃ Al₂O₃ 3 6 11

Si₃N₄ 3 4 2

NO₂ Al₂O₃ 5 6 7

Si₃N₄ 6 7 4
Aufgrund der kleinen Bauweise der Sensoren und ihrer geringen thermischen Masse lassen sich z. B. mit Hilfe einer integrierten Substratheizung schnelle Aufheiz- und Abkühlphasen erzielen, um folglich die verschiedenen Temperaturen bzw. Betriebspunkte zügig ansteuern zu können. Hierfür wird die Lage der Betriebspunkte so gewählt, dass die niedrigste Messtemperatur stets über der maximalen Temperatur des zu analysierenden Gases liegt.
Den Darstellungen in 7 und 8 entsprechende Gasmessungen liegen auf verschiedenen Dielektrika vor, nämlich Siliziumdioxid, Oxinitrid, Aluminiumoxid und Hafniumoxid.
Die vorder- und rückseitige Prozessierung von Wafern, die zur Realisierung des hier vorgestellten Ansatzes geeignet sind, kann prinzipiell auch im Aufbau für Digitalkamerasensoren verwendet werden, um zu vermeiden, dass die lichtempfindlichen Sensoren auf der einen Seite durch Auswertelektronik auf der anderen Seite abgeschattet werden.
Ein gemäß dem hier vorgestellten Ansatz gefertigtes Produkt dient einer kostengünstigen selektiven Gasanalytik und ist zur Verwendung in rauen (Ab-)Gasumgebungen geeignet.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Verfahren 900 zur Detektion von Gas an einem vorstehend beschriebenen Feldeffekt-Gassensor, wobei das Verfahren 900 einen ersten Schritt des Anlegens 910 einer Spannung zwischen der Elektrodenlage und einem Anschlusskontakt der Rückelektrode des Feldeffekt-Gassensors aufweist. Ferner umfasst das Verfahren 900 einen zweiten Schritt des Bestimmens 920 einer physikalischen Größe zwischen der Elektrodenlage und einem Anschlusskontakt der Rückelektrode oder zwischen zwei unterschiedlichen Anschlusskontakten der Rückelektrode. Ferner umfasst das Verfahren 900 einen Schritt des Veränderns 930 einer Frequenz der angelegten Spannung oder einer Temperatur des Feldeffekt-Gassensors und einen Schritt des Bestimmens 940 einer zweiten physikalischen Größe zwischen der Metalllage und einem Anschlusskontakt der Rückelektrode oder zwischen zwei Anschlusskontakten der Rückelektrode. Auch umfasst das Verfahren 900 einen Schritt des Ermittelns 950 eines Gastyps oder einer Gaskonzentration unter Verwendung der physikalischen Größe und der zweiten physikalischen Größe.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung auch einen Gasdetektor 1000, wie er als Blockschaltbild in der 10 dargestellt ist. Dabei umfasst der Gasdetektor 1000 einen Feldeffekt-Gassensor 1010, wie er vorstehend beschrieben wurde. Weiterhin umfasst der Gasdetektor ein mit dem Feldeffekt-Gassensor 1010 verbundenes Steuergerät 1020, das ausgebildet ist, um beispielsweise Schritte des vorstehend beschriebenen Verfahrens zur Detektion von Gas auszuführen oder zumindest anzusteuern. Auf diese Weise kann unter Verwendung des Feldeffekt-Gassensors 1010 sehr vorteilhaft und hoch-präzise eine Gasspezies bzw. ein Gastyp oder eine Konzentration eines Gases in einer Umgebungsatmosphäre bestimmt oder detektiert werden.
Auch schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren 1100 zur Herstellung eines Feldeffekt-Gassensors, wie es als Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in dem Ablaufdiagramm gemäß der 11 dargestellt ist. Das Verfahren 1100 umfasst einen Schritt des Bereitstellens 1110 einer Rückelektrode aus einem Metall oder einem Halbleitermaterial. Weiterhin umfasst das Verfahren 1100 einen Schritt de Aufbringens 1120 zumindest einer Siliziumdioxidlage auf der Rückelektrode und Aufbringen zumindest einer Metalloxidlage auf der Siliziumdioxidlage. Hieran anschließend wird in einem weiteren Schritt des Erhitzens 1130 die Siliziumdioxidlage und die Metalloxidlage erhitzt, um eine Dielektrikumslage zu erhalten, die Silikat enthält. Auf der hierdurch erhaltenen Dielektrikumslage wird in einem Schritt des Anordnens 1140 eine für zumindest ein vorbestimmtes Gas durchlässige poröse Elektrodenlage angeordnet, um den Feldeffekt-Gassensor herzustellen.
In der 12 ist die Vorgehensweise bei der Herstellung eines Feldeffekt-Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Dabei erfolgt eine Abscheidung von SiO₂ und Al₂O₃ z. B. durch ALD als Nanolaminat und eine thermische Umwandlung zum Alumosilikat. Insbesondere kann, wie es im linken Teil der 12 dargestellt ist, auf der Rückelektrode 150, die Teil eines ChemFET, einer Halbleiter-Kapazitäten oder eines Kondensators sein kann, ein Stapel von mehreren Lagen 1210 abgeschieden werden. Bei der Abscheidung, beispielsweise mittels ALD (ALD = atomic layer deposition), ist durch die Wahl eines geeigneten Precursors und/oder durch nachfolgende thermische Behandlung des Dünnschichtstapels 1210 die einfache Bildung einer Dielektrikumslage möglich. Dabei besteht der Dünnschichtstapel aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien-Lagen wie z. B. unterschiedlichen Oxid-Lagen. Der in 12 exemplarisch dargestellte Dünnschichtstapel 1210 umfasst eine Abfolge von drei Siliziumdioxid-Lagen (SiO₂) mit dazwischen bzw. darüber angeordneten Lagen aus Al₂O₃. Für die Bildung von Silikaten ist insbesondere eine Abfolge von Lagen bevorzugt, wenn zumindest eines der Lagen-Materialien SiO₂ ist. Durch einen solchen Aufbau des Dünnschichtstapels können die Materialien der weiteren Lage, wie z. B. Al₂O₃, HfO₂, Ta₂O₅, TiO₂, ZrO₂, Gd₂O₃, CeO₂, La₂O₃, Pr₂O₃ in ihre korrespondierenden Silikaten, z. B. der Form M(SiO₃)_y mit M als Platzhalter für das entsprechende Metall-Ion überführt werden. Es sind aber auch höhergeordnete Koordinationpolyeder der Silikate in Form von Si_xO₇ ^n– möglich.
Der Vorteil der Bildung und Verwendung von Silikaten als Teil der Dielektrikumslage 120 liegt in ihrer höheren thermischen Stabilität, sowie der möglicherweise höheren Isolationsfähigkeit im Gesamtschichtverbund begründet. Es können auch silikatbasierte Kristallsysteme mit bevorzugten Eigenschaften hergestellt werden, z. B. Mullit oder Zeolithe mit einem angepassten Ausdehnungskoeffizienten, oder Alumosilikate oder Zirkon für eine verminderte Ionenaufnahme.
Bei dem Aufbringen der Lagen können die gewünschten Materialien wie SiO₂ und das zweite Metalloxid in dünnen Schichten abgeschieden werden. Um eine ausreichende Schichtdicke des Gesamtschichtverbundes zu erreichen, kann dies unter anderem auch in einem Nanolaminatverbund geschehen, wie er auf der linken Seite der 12 dargestellt ist. Die dabei verwendeten Schichtdicken der Siliziomdioxidlage(n) und/oder der Metalloxidlage(n) liegen zwischen 1 und 20 nm, ggf. auch im Bereich von Atomlagen oder Teilen von Atomlagen, bevorzugt aber zwischen 2 und 5 nm. Die anschließende thermische Auslagerung im Schritt des Erhitzens 1130 findet zwischen 100 und 1000°C, bevorzugt zwischen 300 und 600°C statt. Dabei wird unter sauerstoffreicher oder auch sauerstofffreier Atmosphäre getempert. Hierdurch wird eine Dielektrikumslage 120 erhalten, die ein Silikat umfasst. In der 12 ist dieses Silikat durch die Verwendung von Al₂O₃ ein Alumosilikat; bei der Verwendung eines anderen Metalloxides für die betreffende(n) Lage(n) der Metalloxide wird natürlich ein anderes Silikat erhalten.
Ein Nachweis des Nanolaminates und die Silikatbildung kann mittels Mikro-XRD und TEM erfolgen. Möglich ist auch eine nur teilweise Umformung der Schichtstapel, so dass eine Abfolge von unterschiedlichen Materialien erhalten bleibt, die für eine erhöhte Diffusionsbeständigkeit sorgt. Dabei findet eine Umwandlung des Materials, insbesondere die oben ausgeführte Silikatbildung, nur in einer Übergangszone zwischen den unterschiedlichen Laminatschichten statt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007003541 A1 [0003]

Claims

Feldeffekt-Gassensor (100, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 1020), mit folgenden Merkmalen: einer für zumindest ein vorbestimmtes Gas durchlässigen porösen Elektrodenlage (110, 310, 410, 510, 610); mindestens einer an die Elektrodenlage grenzenden Dielektrikumslage (120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660), die ein Material aufweist, das sich von SiO₂ und von Si₃N₄ unterscheidet; und einer Rückelektrode (150, 330, 420, 440, 530, 640) aus einem Metall oder einem Halbleitermaterial, wobei die Rückelektrode an einer der Elektrodenlage gegenüberliegenden Seite an die Dielektrikumslage angrenzt.
Feldeffekt-Gassensor (100, 200, 250, 300, 400, 500, 600) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückelektrode (150, 330, 420, 440, 530, 640) durch eine Metalllage, eine dotierte Halbleiterlage oder ein Halbleitersubtrat gebildet ist, in dem ein Sourcebereich (160), ein Drainbereich (170) und ein zwischen dem Sourcebereich (160) und dem Drainbereich (170) liegender Kanalbereich (180) eines Gas-sensitiven Feldeffekttransistors ausgebildet ist, wobei zumindest eine Oberfläche des Kanalbereiches (180) an die Dielektrikumslage angrenzt.
Feldeffekt-Gassensor (100, 200, 250, 300, 400, 500, 600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrikumslage (120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660) ein Material aufweist, das aus Al₂O₃, HfO₂, Ta₂O₅, TiO₂ und/oder nichtoxidischen Keramiken, insbesondere Si₃N₄, BN, TiN, SiC, TaSi, W₂Si und/oder Boriden, besteht oder zumindest eines dieser Materialen enthält.
Feldeffekt-Gassensor (100, 200, 250, 300, 400, 500, 600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrikumslage (120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660) ein Material aufweist, das aus ZrO₂, SnO₂, Gd₂O₃, CeO₂, La₂O₃, Pr₂O₃ und/oder Mischoxide, insbesondere Zr_xCe_yO₂, Gd_xCe_yO₂, Y_xZr_y-xO₂, Y_xHf_y-xO₂, besteht oder zumindest eines dieser Materialen enthält, wobei die Indizes x und y Platzhalter für natürliche Zahlen repräsentieren.
Feldeffekt-Gassensor (100, 200, 250, 300, 400, 500, 600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrikumslage (120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660) ein Material aufweist, das aus In₂O₃, SnO₂, WO₃, Gd₂O₃, CeO₂, La₂O₃, Pr₂O₃, Al₂O₃ und/oder Perovskiten, insbesondere BaTiO₃ oder SrTiO₃, besteht oder zumindest eines dieser Materialen enthält.
Feldeffekt-Gassensor (100, 200, 250, 300, 400, 500, 600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Dielektrikumslage (120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660) mit einem Dotierungsmaterial dotiert ist.
Feldeffekt-Gassensor (100, 200, 250, 300, 400, 500, 600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Dielektrikumslage (120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660) in amorpher, polykristalliner und/oder kristalliner Form vorliegt, oder bei dem die Dielektrikumslage (120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660) durch ein Atomic-Layer-Deposition-Verfahren hergestellt ist.
Feldeffekt-Gassensor (100, 200, 250, 300, 400, 500, 600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrikumslage (120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660) zumindest eine erste Teillage (210, 620, 660) und zumindest eine an die erste Teillage (210, 620, 660) angrenzende zweite Teillage (220, 240, 630, 650) aufweist, wobei die erste Teillage aus einem anderen Material besteht als die zweite Teillage.
Feldeffekt-Gassensor (100, 200, 250, 300, 400, 500, 600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der Dielektrikumslage (620) gegenüberliegenden Seite der Rückelektrode (640) eine zweite Dielektrikumslage (660) angeordnet ist, die ein Material aufweist, das sich vom Material der Dielektrikumslage unterscheidet, wobei ferner auf einer der Rückelektrode (640) gegenüberliegenden Seite der zweiten Dielektrikumslage (660) eine an die zweite Dielektrikumslage (660) angrenzende poröse zweite Elektrodenlage (670) angeordnet ist, wobei die zweite Elektrodenlage (670) für zumindest ein vorbestimmtes Gas durchlässig ist.
Verfahren (900) zur Detektion von Gas an einem Feldeffekt-Gassensor (100, 200, 250, 300, 400, 500, 600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren (900) die folgenden Schritte aufweist: – Anlegen (910) einer Spannung zwischen der Metalllage und einem Anschlusskontakt der Rückelektrode des Feldeffekt-Gassensors; – Bestimmen (920) einer physikalischen Größe zwischen der Metalllage und einem Anschlusskontakt der Rückelektrode oder zwischen zwei unterschiedlichen Anschlusskontakten der Rückelektrode; und – Ermitteln (950) eines Gastyps oder einer Gaskonzentration unter Verwendung der physikalischen Größe und.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Ansteuerung der Schritte des Verfahrens (900) gemäß Anspruch 10, wenn das Programm auf einem Steuergerät (1010) ausgeführt oder angesteuert wird.
Gasdetektor (1000), der die folgenden Merkmale aufweist: – einem Feldeffekt-Gassensor (100, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 1020) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9; und – einem Steuergerät (1010), das Einheiten aufweist, die ausgebildet sind, um die Schritte des Verfahrens (900) gemäß Anspruch 10 auszuführen oder anzusteuern.
Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekt-Gassensors (100, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 1020), das die folgenden Schritte aufweist: – Bereitstellen einer Rückelektrode (150, 330, 420, 440, 530, 640) aus einem Metall oder einem Halbleitermaterial; – Aufbringen zumindest einer Siliziumdioxidlage auf der Rückelektrode (150, 330, 420, 440, 530, 640) und Aufbringen zumindest einer Metalloxidlage auf der Siliziumdioxidlage; – Erhitzen der Siliziumdioxidlage und der Metalloxidlage, um eine Dielektrikumslage (120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660) zu erhalten, die Silikat enthält; und – Anordnen einer für zumindest ein vorbestimmtes Gas durchlässigen porösen Elektrodenlage (110, 310, 410, 510, 610) auf der Dielektrikumslage (120, 210, 220, 230, 240 320, 430, 520, 540, 620, 660), um den Feldeffekt-Gassensors (100, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 1020) herzustellen.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im Schritt des Aufbringens zumindest eine weitere Siliziumdioxidlage auf die Metalloxidlage und eine weitere Metalloxidlage auf der weiteren Siliziumdioxidlage aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Erhitzens die Siliziumdioxidlage und die Metalloxidlage auf eine Temperatur aufgeheizt werden, die im Temperaturbereich von 100°C bis 1000°C, insbesondere im Temperaturbereich von 300°C bis 600°C liegt.