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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor zur Bestimmung von in einem Gasgemisch enthaltenen Substanzen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Gassensors zur Bestimmung von in einem Gasgemisch enthaltenen Substanzen.
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Stand der Technik
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Derzeit sind beispielsweise chemisch sensitive Feldeffekttransistoren als chemische Gassensoren bekannt, die hergestellt werden aus einem Dünnschichtsubstrat mit einer elektrischen Isolierung. Die Isolierung ist dabei zwischen einem Gate-Bereich des Substrats und einer als Gate-Elektrode dienenden elektrisch leitfähigen Schicht angeordnet, wobei etwa die Gate-Elektrode chemisch mit einem zu detektierenden Gas wechselwirken kann. Die elektrisch leitfähige Schicht beziehungsweise die Gate-Elektrode kann beispielsweise aufgebracht werden durch Kathodenzerstäubung eines Edelmetalls oder einer Edelmetallmischung, etwa umfassend Platin und/oder Rhodium.
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Aus dem Dokument
DE 10 2007 040 726 A1 ist ferner ein Gassensor zur Bestimmung von Gaskomponenten in Gasgemischen bekannt. Ein derartiger Sensor umfasst ein als Feldeffekttransistor ausgeführtes Sensorelement und weiterhin eine poröse, katalytisch aktive Schicht, welche der Zersetzung von in einem zu untersuchenden Gasgemisch enthaltenen Gaskomponenten dienen soll. Diese katalytisch aktive Schicht kann als Diffusionsbarriere flächig auf der Gate-Elektrode angeordnet sein. Ferner ist die Gate-Elektrode insbesondere aus einem Edelmetall-Metalloxid-Mischmaterial ausgestaltet.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Gassensor zur Bestimmung von in einem Gasgemisch enthaltenen Substanzen, umfassend ein Substrat, auf dem eine Source-Elektrode, eine Drain-Elektrode und eine Gate-Elektrode angeordnet sind, wobei zwischen dem Substrat und der Gate-Elektrode wenigstens eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet ist, wobei die Gate-Elektrode ein elektrisch leitfähiges keramisches Material aufweist, und wobei die Gate-Elektrode eine Schwankungsbreite ihrer Dicke aufweist, die größer oder gleich einem Viertel ihrer Gesamtdicke ist.
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Durch einen derartigen Gassensor kann ein verbessertes Mess-Verhalten realisiert werden, und es kann ferner eine besonders gute und kostengünstige Herstellbarkeit ermöglicht werden.
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Ein Gassensor kann dabei insbesondere eine Vorrichtung sein, die in einem Gasstrom enthaltene Substanzen, wie insbesondere Gase, qualitativ und/oder quantitativ detektieren kann.
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Unter einer Schwankungsbreite der Dicke kann dabei ferner im Sinne der vorliegenden Erfindung der Abstand zwischen einem Minimalwert der Dicke und einem Maximalwert der Dicke beziehungsweise der Gesamtdicke verstanden werden. Dabei kann die Schwankungsbreite der Dicke der Gate-Elektrode sich etwa auf die Gesamtdicke beziehungsweise Maximaldicke der gesamten Gate-Elektrode beziehen, etwa umfassend eine Mehrzahl an Einzelschichten beziehungsweise Lagen, oder aber insbesondere auf eine Einzelschicht für den Fall, dass eine Mehrzahl an Schichten der Gate-Elektrode vorgesehen sind.
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Unter einer elektrisch leitfähigen Keramik kann dabei insbesondere ein Material verstanden werden, das einen spezifischen Widerstand von kleiner als 10E3 Ohm·cm oder eine Bandlücke von kleiner als 2eV aufweist.
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Dabei kann unter einem keramischen Material in an sich bekannter Weise insbesondere ein Material verstanden werden, welches insbesondere anorganisch und nichtmetallisch ist. Meist werden keramische Materialien beziehungsweise Produkte aus keramischen Materialien bei eher niedrigen Temperaturen aus einer Rohmasse geformt und sie können ihre typischen Werkstoffeigenschaften insbesondere durch einen bei hohen Temperaturen durchgeführten Sintervorgang erhalten.
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Ein vorbeschriebener Gassensor umfasst dabei einen Feldeffekttransistor, der in an sich bekannter Weise ein Substrat umfasst. Das Substrat kann beispielsweise aus einem Halbleitermaterial, wie etwa Siliziumcarbid, Galiumnitrid oder aus Silizium ausgestaltet sein und beispielsweise durch entsprechende Dotierungen einen Source-Bereich, auf dem eine Source-Elektrode angeordnet ist, und einen von dem Source-Bereich räumlich getrennten Drain-Bereich, auf dem eine Drain-Elektrode angeordnet ist, aufweisen. Zwischen dem Source-Bereich und dem Drain-Bereich kann ein Kanal beziehungsweise eine Raumladungszone des Halbleitersubstrats angeordnet sein beziehungsweise sich während eines Betriebs ausbilden. Oberhalb der Raumladungszone des Substrats kann ein elektrischer Isolator beziehungsweise eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet sein, die das Substrat beziehungsweise den Raumladungsbereich von einer Gate-Elektrode trennt.
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Unter einem Feldeffekttransistor beziehungsweise einem Feldeffekt-Gassensor kann somit in an sich bekannter Weise insbesondere eine Struktur verstanden werden, bei der sich bei der Adsorption von einem bestimmten Gas oder bestimmten Gas-Ionen eine elektrische und physikalisch messbare Größe durch die Wirkung eines elektrischen Feldes verändern kann. Diese physikalisch messbare Größe kann beispielsweise ein elektrischer Widerstand zwischen zwei Anschlusskontakten oder eine Kapazität sein, die zwischen der Elektrodenlage und einer Rückelektrode messbar sein kann.
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Bei einem vorbeschriebenen als Feldeffekttransistor ausgestalteten Sensor kann durch eine Wechselwirkung einer Gasspezies beispielsweise die Ladungsträgerkonzentration in der Raumladungszone verändert werden, insbesondere durch Wechselwirkung der Gate-Elektrode mit der elektrischen Isolierung in Abhängigkeit der detektierten Spezies, so dass die Anwesenheit eines Gases anhand der Änderung des Kanalstroms erkannt werden kann.
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Insbesondere kann die Rückelektrode durch das Halbleitersubstrat gebildet sein, in dem der Source-Bereich, der Drain-Bereich und der zwischen Source-Bereich Drain-Bereich angeordnete Kanalbereich des gassensitiven Feldeffekttransistors ausgebildet ist, wobei zumindest eine Oberfläche des Kanalbereichs beziehungsweise des Raumladungsbereichs an die Isolationsschicht angrenzen kann. Eine derartige Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Vorrichtung beziehungsweise ein Gassensor in unterschiedlichsten Varianten für die Gasdetektion einsetzbar sein kann und somit an jeweils verwendete Technologien für die Auswerteeinheit anpassbar sein kann. Dies kann wiederum den Vorteil bieten, dass die Gasdetektoren auf Basis eines Halbleitersubstrats fertigbar sind, wobei bei unterschiedlichen Ausführungen der Auswertung auch unterschiedliche Ausführung der Gassensoren implementiert werden können. Auch können die unterschiedlichen Ausführungsformen der Gassensoren unterschiedliche Sensitivitäten bezüglich unterschiedlicher Arten von Gasen aufweisen, so dass durch den Freiheitsgrad der unterschiedlichen Auslegung eines Gassensors die vorbeschriebene Vorrichtung für eine hoch präzise Gasdetektion einsetzbar sein kann.
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Dadurch, dass eine Gate-Elektrode vorgesehen ist, welche ein elektrisch leitfähiges keramisches Material aufweist, und ferner eine Schwankungsbreite ihrer Dicke aufweist, die größer oder gleich einem Viertel ihrer Gesamtdicke ist, ist insbesondere das Herstellungsverfahren deutlich vereinfacht. Insbesondere kann das Herstellungsverfahren besonders kostengünstig sein, da das keramische Material der Gate-Elektrode bereits eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweisen kann, wodurch auf den Einsatz zusätzlicher Materialien verzichtet werden kann. Insgesamt kann insbesondere darauf verzichtet werden, elektrisch leitfähige, metallbasierte Komponenten einzufügen, um beispielsweise ein Mischmaterial, etwa umfassend eine elektrisch isolierende Keramik und ein elektrisch leitfähiges Material, zu erzeugen. Somit kann verglichen mit Verfahren aus dem Stand der Technik ein weiterer Herstellungsschritt eingespart werden, wodurch das Verfahren einfach und kostengünstig gestaltet sein kann. Vielmehr kann die elektrisch leitfähige keramische Schicht selbst mit einem zu detektieren Gas wechselwirken und somit die aktive Sensorschicht ausbilden, welche mit dem zu detektierenden Gas wechselwirken kann. Ferner kann eine vorbeschriebene Rauigkeit insbesondere unter Verwendung keramischer Materialien besonders gut und definiert einstellbar sein.
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Darüber hinaus kann in besonders definierter Weise das Messverhalten beziehungsweise die Funktionsweise verbessert oder angepasst werden. Im Detail kann durch die definierte Rauigkeit der Gate-Elektrode die Funktionsweise des Sensors an das gewünschte Anwendungsgebiet angepasst beziehungsweise für eine gewünschte Anwendung maßgeschneidert werden. Beispielsweise kann die Gate-Elektrode in besonders vorteilhafter Weise eine Mehrzahl an sensorrelevanten Funktionen wahrnehmen. Dies kann beispielsweise eine signifikante Vergrößerung der Oberfläche der Gate-Elektrode sein zur gezielten Erhöhung des Einflusses von Adsorption von Gasen an der Oberfläche oder zur gezielten Erhöhung des Einflusses von zum Beispiel katalytisch ablaufenden Oberflächenreaktionen. Ebenso kann die Gate-Elektrode durch ihre raue Oberfläche Kavitäten ausbilden, in denen beispielsweise eine Speicherung eines zu detektierenden Gases, beispielsweise Sauerstoff oder eines oder mehrerer Stickoxide, erfolgen kann, wodurch die Sensitivität deutlich erhöht werden kann.
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Dabei sind die vorgenannten Vorteile in besonders vorteilhafter Weise insbesondere dann erzielbar, wenn eine wie vorstehend beschriebene Rauigkeit insbesondere auf der dem zu vermessenden Gas zugewandten Seite und damit der dem Substrat entgegengesetzten Seite beziehungsweise Oberfläche der Gate-Elektrode vorliegt. Eine derartige Rauigkeit kann dabei ausgestaltet sein durch Verzahnungen oder ähnliche Strukturen, welche von einer ideal planaren Oberfläche abweichen.
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Im Rahmen einer Ausgestaltung kann das elektrisch leitfähige keramische Material ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus elektrisch leitfähigen Silicium-, Zink-, Kupfer-, Aluminium, Zinn- und/oder Titanverbindungen, insbesondere aus mit Stickstoff oder Aluminium dotiertem Siliciumcarbid, Kupferoxid, Zinnoxid und/oder Titannitrid. Insbesondere die vorgenannten keramischen Materialien weisen eine gute elektrische Leitfähigkeit in Verbindung mit hoher chemischer Beständigkeit auf, welche eine hohe Leistungsfähigkeit des zu erzeugenden Gassensors, wie insbesondere eine hohe Selektivität beziehungsweise Sensitivität erlauben kann. Somit kann insbesondere in dieser Ausgestaltung in vorteilhafter Weise auf eine weitere Modifizierung der Gate-Elektrode verzichtet werden. Beispielsweise kann auf eine weitere aktive beispielsweise edelmetallbasierte Beschichtung auf der Gate-Elektrode zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit des herzustellenden Gassensors grundsätzlich vollständig verzichtet werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Gate-Elektrode porös sein, insbesondere wobei die Gate-Elektrode eine Porosität von größer oder gleich 2% bis kleiner oder gleich 80% aufweisen kann. Die Größe der einzelnen Poren kann dabei wiederum zwischen 2% und 80%, bevorzugt zwischen 5 und 30% der Materialdicke betragen. Insbesondere bei porösen Materialien kann eine besonders hohe Oberflächenrauigkeit erzeugt werden, welche ein besonders gutes Leistungsvermögen eines herzustellenden Gassensors ermöglicht. Insbesondere kann durch eine poröse Gate-Elektrode in besonders vorteilhafter Weise ein Speichern von Komponenten aus dem zu vermessenden Gasstrom ermöglicht werden. Beispielsweise kann Sauerstoff oder können Stickoxide, welche in einem Gasstrom enthalten sein können und welche detektiert werden sollen, sich in die Poren einlagern und dort gespeichert werden. Durch eine dann in den Poren stattfindende Anlagerung oder Umwandlung der Gasspezies kann ein besonders sensitives Messverhalten ermöglicht werden, und ferner, insbesondere durch ein Maßschneidern der Poren in Größe und/oder Geometrie, eine besonders gute Selektivität für einzelne Spezies ermöglicht werden. Dabei kann durch die Porosität sowohl eine vergrößerte Rauigkeit als auch eine vergrößerte Oberfläche realisiert werden, was den Sensor besonders sensitiv gestalten kann. Dadurch sind auch geringste Mengen eines zu detektieren Gases in einem Gasgemisch sicher detektierbar. Diesbezüglich sind keramische Materialien besonders vorteilhaft. Die Größe und Form der Partikel der keramischen Schicht kann in weiten Bereichen bei der Herstellung bestimmt werden, beispielsweise durch entsprechende Bedingungen beim Fällen von Partikeln aus Lösung oder durch Mahlen von Materialien vor der Auftragung. Poren können entweder durch Wahl der Bedingungen beim Sintern erzeugt werden oder durch Beigabe von Opfermaterialien, die sich beim Sintern auflösen, wie etwa eine organische Matrix, oder sich nach Erzeugung der Schichten auflösen lassen, indem sie beispielsweise wasserlöslich sind.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die elektrisch isolierende Schicht ein keramisches Material aufweisen. Durch das Vorsehen eines elektrisch isolierenden keramischen Materials in der elektrisch isolierenden Schicht kann das Herstellungsverfahren noch weiter vereinfacht werden. Beispielsweise können die verschiedenen Schichten, insbesondere die elektrisch isolierende Schicht und die darauf aufgebrachte Gate-Elektrode, mit den gleichen beziehungsweise vergleichbaren Herstellungsverfahren erzeugt werden. Insbesondere können die für keramische Schichten bekannten Verfahren angewendet werden, wodurch beispielsweise ein Aufbau zur Herstellung eines derartigen Sensors vereinfacht werden kann. Darüber hinaus sind keramische Materialien besonders stabil, so dass ein Gassensor in dieser Ausgestaltung auch unter harschen Bedingungen, beispielsweise in dem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, problemlos arbeiten kann.
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Darüber hinaus kann insbesondere bei einem keramischen Material in geeigneter Weise eine Oberfläche mit einer definierten Rauigkeit und damit ein verbessertes Haftungsvermögen einer Gate-Elektrode auf der elektrisch isolierenden Schicht ermöglicht werden. Dabei ist dem Fachmann verständlich, dass die elektrisch isolierende Schicht aus einem keramischen Material bestehen kann oder weitere elektrisch isolierende Materialien aufweisen kann. Für den Fall, dass weitere elektrisch isolierende Materialien vorgesehen sind, ist ein keramisches Material insbesondere an der der Elektrode zugewandten Seite angeordnet.
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Insbesondere kann das elektrisch isolierende keramische Material eine Substanz umfassen oder aus einer Substanz bestehen, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus siliziumbasierten Materialien, aluminiumbasierten Materialien und/oder Oxiden, Nitriden und Carbiden. Beispielhafte elektrisch isolierende keramische Materialien umfassen dabei Siliziumoxid (SiO2) und Aluminiumoxid (Al2O3). In überraschender Weise wurde gefunden, dass derartige keramische Materialien eine besonders gute Isolationsgüte aufweisen können und gleichzeitig in dieser Anwendung einen besonders bevorzugten Effekt als Haftvermittler aufweisen können. Dies kann beispielsweise bedingt sein durch eine Anbindung des keramischen Materials an die Oberfläche des Halbleitersubstrats beziehungsweise einer ersten elektrisch isolierenden Schicht, beispielsweise durch chemische Bindungen, was einen besonders stabilen Verbund auch zu der darüber angeordneten Gate-Elektrode erlauben kann.
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Dabei kann gegebenenfalls der unter dem elektrisch isolierenden keramischen Material befindliche Anteil der elektrisch isolierenden Schicht insbesondere ausgestaltet sein aus in Dünnschichtverfahren, etwa einem physikalischen oder chemischen Dampfphasenverfahren, abgeschiedenen Schichten. Diese können etwa umfassen das gleiche Material wie weitere elektrisch isolierende keramische Schichten, nämlich beispielsweise Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid oder eine Kombination aus diesen Materialien.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann auf die Gate-Elektrode eine Beschichtung aufgebracht sein, insbesondere wobei die Beschichtung elektrisch leitfähig sein kann, beispielsweise wobei die Beschichtung elektrisch leitfähige metallische Nanopartikel umfassen kann beziehungsweise daraus bestehen kann. Insbesondere durch eine weitere Beschichtung kann die Sensitivität beziehungsweise Selektivität des Gassensors weiter verbessert werden, da die Beschichtung bezüglich der zu detektierenden Substanz maßschneiderbar sein kann. Insbesondere durch das Vorsehen metallischer Nanopartikel kann dabei in dieser Ausgestaltung die Geometrie der Beschichtung besonders einfach angepasst werden, wodurch ein besonders definiertes Messverhalten ermöglicht werden kann. Weiterhin kann durch Nanopartikel in besonders vorteilhafter Weise eine katalytisch besonders aktive Elektrodenschicht realisiert werden, welche eine besonders effektive Wechselwirkung mit in einem Gasgemisch enthaltenen Gasen realisieren kann, und somit ein besonders sensitives Messverhalten bewirken kann. Beispielhafte Materialien, welche insbesondere als Nanopartikel zur Ausbildung einer Beschichtung für eine Gate-Elektrode geeignet sein können, umfassen beispielsweise Gold, Platin, Rhenium, Palladium, Rhodium oder Mischungen aus den vorgenannten Materialien. Dabei können im Sinne der Erfindung unter Nanopartikeln insbesondere verstanden werden Partikel, welche beispielhaft einen Durchmesser in einem Bereich von größer oder gleich 3nm bis kleiner oder gleich 300nm, vorzugsweise in einem Bereich von 5 bis 10nm aufweisen.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Gate-Elektrode eine Dicke, insbesondere Gesamtdicke, aufweisen, die in einem Bereich von größer oder gleich 10nm bis kleiner oder gleich 2000nm, vorzugsweise von größer oder gleich 30nm bis kleiner oder gleich 200nm liegt. In dieser Ausgestaltung kann die Gate-Elektrode eine ausreichende Dicke aufweisen, um die geeignete Rauigkeit beziehungsweise Porosität auszubilden, und ferner noch eine ausreichende Stabilität aufzuweisen. Darüber hinaus können in dieser Ausgestaltung besonders vorteilhaft Kavitäten gebildet werden, in welchen ein zu detektierendes Gas zumindest temporär immobilisiert werden kann, so dass die Sensitivität eines Gassensors in dieser Ausgestaltung besonders hoch sein kann.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die elektrisch isolierende Schicht eine Schwankungsbreite ihrer Dicke aufweist, die größer oder gleich einem Viertel ihrer Gesamtdicke ist. In dieser Ausgestaltung kann die Rauigkeit der Gate-Elektrode somit vorgegeben werden durch die Rauigkeit der elektrisch isolierenden Schicht, was unter Umständen ein besonders einfaches und kostengünstiges Herstellungsverfahren erlauben kann. Darüber hinaus kann in dieser Ausgestaltung die elektrisch isolierende Schicht als Haftvermittler für die Gate-Elektrode dienen, wodurch der Gassensor in dieser Ausgestaltung besonders langzeitstabil sein kann.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Gate-Elektrode als Mehrschichtsystem ausgestaltet sein. Es kann beispielsweise bei der Darstellung der Gate-Elektrode ein elektrisch leitfähiges, keramisches Material zur Ausbildung einer geeigneten Rauigkeit auf eine dünne, mit einem anderen Verfahren bereits gleichmäßig abgeschiedene, leitfähige Schicht aufgebracht werden oder erst ein elektrisch leitfähiges keramisches Material lediglich zur Ausbildung einer geeigneten Rauigkeit und dann beispielsweise eine dünne, gleichmäßige leitfähige Schicht unter Ausbildung eines Mehrschichtsystems für die Gate-Elektrode aufgebracht werden. Dies lässt eine größere Materialauswahl zu, da die Anforderungen, wie insbesondere Ausbildung der Rauigkeit oder der elektrischen Leitfähigkeit, an das Material für jede Schicht bestimmt werden können. In einer weiteren Ausgestaltung kann ferner die elektrisch isolierende Schicht als Mehrschichtsystem ausgestaltet sein. So können an eine erste elektrisch isolierende Schicht geringe Anforderungen bezüglich Stabilität gestellt werden, da diese dann von einer weiteren elektrisch isolierenden Schicht zumindest teilweise überdeckt sein kann. Daher kann die Materialwahl der ersten elektrisch isolierenden Schicht insbesondere auf eine gute elektrische Isolierung gerichtet werden, oder umgekehrt. Bezüglich der zweiten elektrisch isolierenden Schicht kann die Materialwahl dabei insbesondere auf das Ausbilden einer geeigneten Rauigkeit gerichtet werden.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des erfindungsgemäßen Gassensors wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, den Figuren, sowie auf die Figurenbeschreibung verwiesen.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Gassensors, insbesondere eines Gassensors, der wie vorstehend beschrieben ausgestaltet ist, umfassend die Verfahrensschritte:
- a) Bereitstellen eines Substrats,
- b) Aufbringen einer Source-Elektrode und einer von der Source-Elektrode beabstandet angeordneten Drain-Elektrode auf das Substrat;
- c) Aufbringen wenigstens einer elektrisch isolierenden Schicht auf das Substrat in einem Bereich zwischen Source-Elektrode und Drain-Elektrode; und
- d) Aufbringen einer Gate-Elektrode auf die elektrisch isolierende Schicht, wobei die Gate-Elektrode wenigstens ein elektrisch leitfähiges keramisches Material aufweist und wobei die Gate-Elektrode eine Schwankungsbreite ihrer Dicke aufweist, die größer oder gleich einem Viertel ihrer Gesamtdicke ist.
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Ein derartiges Verfahren dient in besonders vorteilhafter Weise dazu, einen erfindungsgemäßen Gassensor herzustellen. Dabei kann das Verfahren besonders einfach und kostengünstig durchführbar sein, so dass auch ein erfindungsgemäßer Gassensor besonders kostengünstig erhältlich sein kann.
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Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt a) ein Substrat bereitgestellt. Das Substrat kann in einer an sich bekannten Weise aus einem Halbleitermaterial, wie insbesondere aus Siliziumcarbid, ausgestaltet sein. Dabei kann es einen Source-Bereich und einen von dem Source Bereich beabstandeten und an der gleichen Oberfläche vorliegenden Drain-Bereich aufweisen, auf denen durch an sich bekannte Verfahren eine elektrisch leitfähige Schicht als Source-Elektrode beziehungsweise als Drain-Elektrode angeordnet werden, wie dies später im Detail erläutert wird. Der Source-Bereich beziehungsweise der Drain-Bereich kann dabei beispielsweise bei Silizium oder Siliziumcarbid als Substratmaterial mit einem ortsaufgelösten Implantationsverfahren oder bei Silizium durch ein Diffusionsverfahren mit einer entsprechenden Dotierung ausgestaltet werden. Insbesondere kann der Source-Bereich und der Drain-Bereich durch eine n+-Dotierung erzeugt werden. Dagegen kann das Substrat eine p-Dotierung aufweisen, wie es insbesondere für einen Feldeffekttransistor bekannt ist.
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Auf ein derartig bereitgestelltes Substrat wird in einem weiteren Verfahrensschritt b) eine Source-Elektrode und eine von der Source-Elektrode beabstandet angeordnete Drain-Elektrode aufgebracht. Zweckmäßigerweise werden dabei die Source-Elektrode auf dem Source-Bereich und die Drain-Elektrode auf den Drain-Bereich aufgebracht. Weiterhin können die entsprechenden Elektroden insbesondere durch ein physikalisches Verfahren wie beispielsweise ein Aufdampfen oder ein Sputterverfahren oder durch ein Abscheiden von Partikeln aus einer Suspension aufgebracht werden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt c) wird wenigstens eine elektrisch isolierende Schicht auf das Substrat in einem Bereich zwischen Source-Elektrode und Drain-Elektrode aufgebracht. Dabei kann die elektrisch isolierende Schicht direkt und unmittelbar auf das Substrat aufgebracht werden, oder indirekt auf eine auf dem Substrat angeordnete weitere elektrisch isolierende Schicht, in welchem Fall die elektrisch isolierende Schicht insbesondere aus einem Mehrschichtaufbau ausgebildet sein kann. Dabei kann die elektrisch isolierende Schicht beispielsweise durch in Halbleiterprozessen übliche Verfahren erzeugt beziehungsweise abgeschieden werden. Geeignete Verfahren umfassen beispielsweise physikalische Depositionsverfahren, wie etwa PVD-Verfahren, Magnetronsputtern oder auch chemische Depositionsverfahren, wie etwa Chemical Vapor Deposition (CVD) oder Atomlagenabscheidung (ALD). Die Verfahren können dabei temporär, etwa durch Wahl von Abscheidetemperaturen bei CVD oder ALD oder Hintergrunddrücken etwa beim Sputtern so modifiziert werden, dass nach der Abscheidung eine raue Oberfläche entsteht. Das Material der elektrisch isolierenden Schicht kann dabei ein keramisches Material oder aus der Halbleitertechnik bekanntes, elektrisch isolierendes Material sein.
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In einem weiteren Verfahrensschritt d) wird bei einem vorbeschriebenen Verfahren eine Gate-Elektrode auf die elektrisch isolierende Schicht aufgebracht, wobei die Gate-Elektrode ein elektrisch leitfähiges keramisches Material aufweist und wobei die Gate-Elektrode eine Schwankungsbreite ihrer Dicke aufweist, die größer oder gleich einem Viertel ihrer Gesamtdicke ist. Die Rauigkeit der Gate-Elektrode kann eingestellt werden durch das Aufbringen der Gateelektrode durch etwa einen Aufbringungsschritt und einen nachfolgenden Strukturierungsschritt beziehungsweise einen teilweises Auflösen der Schicht, mit dem die gewünschte Rauigkeit beziehungsweise Porosität erzeugt werden kann.
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Bei verwendbaren Dünnschichtverfahren kann etwa vor der Abscheidung auf einer elektrisch isolierenden Schicht dafür gesorgt werden, dass keine gleichmäßige Abscheidung aus der Gasphase erfolgt, sondern dass sich Partikel bilden, die sich als raue Schicht ablagern. Wie oben erwähnt könnte auch eine kompakte, massive Schicht abgeschieden werden und nachfolgend strukturiert werden, beispielsweise durch ein mittels einer Maske durchgeführten, ortsaufgelösten Ätzens, beispielsweise Trockenätzen mit Plasma oder Nassätzen in Lösung. Ferner kann eine entsprechende Rauigkeit eingestellt werden durch das Vorsehen bereits einer rauen elektrisch isolierenden Schicht.
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Insbesondere kann die Gate-Elektrode aufgebracht werden durch ein SolGel-Verfahren, Spin Coating, Rakeln, Auftropfen, Aufsprühen, Flammspraypyrolyse oder eine Kombination der vorgenannten Verfahren, wodurch insbesondere eine mehrlagige Gate-Elektrode realisiert werden kann. Das elektrisch leitfähige keramische Material kann beispielsweise durch ein Abscheiden aus einer Lösung auf den Gate-Bereich des Feldeffekttransistors beziehungsweise die in dem Gate-Bereich angeordnete elektrisch isolierende Schicht realisiert werden. Das Verfahren kann dabei in an sich bekannter Weise eine Hydrolyse von Metallalkoholaten, beispielsweise einem Aluminiumalkoholat, eine Kondensation unter Reaktionsbedingungen, bei denen sich eine ein keramisches Material umfassende Schicht an der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht oder Nanopartikel in der gewünschten Größe, die sich an die isolierende Schicht anlagern, bilden. Ferner können Trocknung und Temperaturbehandlungsschritte zur Pyrolyse von organischen Resten und zum Auslösen von gezielten Sinterprozessen umfasst sein. Durch derartige Verfahren ist es auf besonders einfache Weise möglich, das keramische Material ortsaufgelöst und in einer geeigneten und definierten Dicke und Rauigkeit auf eine erste elektrisch isolierende Schicht oder auf das Substrat aufbringen zu können. Derartige Verfahren sind ferner einfach durchführbar und dadurch besonders kostengünstig in der Anwendung. Weiterhin können die entsprechenden Eigenschaften der keramischen Schicht, wie insbesondere ihre Dicke, Porosität und Oberflächenrauigkeit dadurch in besonders vorteilhafter Weise eingestellt werden, weil ein aus der Keramiktechnologie bekanntes Verfahren sehr große Parametervariationen zulässt. So können etwa Partikel schon vor der Abscheidung aus Lösung auf eine Oberfläche hergestellt werden und in vielen Eigenschaften, beispielsweise Form, Größe, Reaktivität beim Sintern variiert werden. Dies führt zu einer besonders gute Anwendbarkeit eines erfindungsgemäßen Sensors in einem gewünschten Anwendungsgebiet.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Gassensor, den Figuren, sowie auf die Figurenbeschreibung verwiesen.
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Zeichnungen und Beispiele
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors; und
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2 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist schematisch eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Gassensors 10 zum Detektieren von in einem Fluidstrom enthaltenen Substanzen gezeigt. Ein derartiger Gassensor 10 kann insbesondere Verwendung finden in dem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine. In einer konkreten Anwendung kann die Vorrichtung 10 Verwendung finden als Sauerstoffsensor und/oder als Stickoxidsensor in dem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs.
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Der Gassensor 10 umfasst dabei insbesondere einen chemisch sensitiven Feldeffektransistor. Im Detail ist ein Substrat 12 vorgesehen, welches insbesondere aus einem Halbleitermaterial ausgestaltet ist. Bevorzugt kann das Substrat 12 aus Siliziumcarbid ausgestaltet sein. Weitere nichtbeschränkende Beispiele umfassen etwa Silizium, Gallium-Arsenid (GaAs) Galliumnitrid (GaN). Durch das Einfügen entsprechender Dotierungen im Falle von Siliziumcarbid umfasst das Substrat einen Source-Bereich 14 und einen Drain-Bereich 16, auf denen ein entsprechender Anschluss beziehungsweise eine entsprechende Elektrode, insbesondere eine Source-Elektrode 18 und eine Drain-Elektrode 20 angeordnet sind.
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Auf dem Substrat 12 ist ferner eine Gate-Elektrode 22 angeordnet, welche etwa mehrere Schichten beziehungsweise Lagen 24, 26 aufweisen kann. Zwischen dem Substrat 12 und der Gate-Elektrode 22 ist ferner eine elektrisch isolierende Schicht 28 angeordnet. Dabei können zwischen der elektrisch Isolierenden Schicht 28 und dem Substrat 12 eine oder mehrere weitere elektrisch isolierende Schichten angeordnet sein beziehungsweise die elektrisch isolierende Schicht 28 kann mehrlagig ausgestaltet sein.
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Die Gate-Elektrode 22 beziehungsweise eine Oberfläche der Gate-Elektrode 22, insbesondere die gasexponierbare Seite der Gate-Elektrode 22 weist dabei eine derartige Rauigkeit auf, dass die Schwankungsbreite ihrer Dicke größer oder gleich einem Viertel ihrer Gesamtdicke ist. Die Gate-Elektrode 22 kann ferner porös sein und beispielsweise eine Porosität von größer oder gleich 2% bis kleiner oder gleich 80% aufweisen. Ferner kann die Gate-Elektrode aus einem elektrisch leitfähigen keramischen Material ausgestaltet sein, wobei das elektrisch leitfähige keramische Material ausgewählt sein kann aus der Gruppe bestehend aus Silicium-, Zink-, Kupfer-, Aluminium, Zinn- und/oder Titanverbindungen, insbesondere dotiertem Siliciumcarbid und/oder Titannitrid, insbesondere vollständig ausgestaltet sein.
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Bezüglich der elektrisch isolierenden Schicht 28 kann diese ein elektrisch isolierendes keramisches Material umfassen, das insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus elektrisch nicht leitfähigen siliziumbasierten Materialien, aluminiumbasierten Materialien und/oder Oxiden, Nitriden und Carbiden. Insbesondere kann das keramische Material Siliziumoxid oder Aluminiumoxid umfassen oder aus diesen Materialen insbesondere vollständig ausgestaltet sein. Die elektrisch isolierende Schicht, insbesondere sämtliche elektrisch isolierenden Schichten 28, kann ferner wie auch die Gate-Elektrode 22, eine Dicke in einem Bereich von größer gleich 10nm bis kleiner gleich 2000nm aufweisen.
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Weiterhin kann auf die die Gate-Elektrode 22 eine zusätzliche Beschichtung, beispielsweise umfassend oder bestehend aus elektrisch leitfähigen Partikel, insbesondere metallischen Nanopartikel, aufgebracht sein.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines vorbeschriebenen Gassensors 10 kann insbesondere die folgenden die Verfahrensschritte umfassen:
- a) Bereitstellen eines Substrats 12,
- b) Aufbringen einer Source-Elektrode 18 und einer von der Source-Elektrode 18 beabstandet angeordneten Drain-Elektrode 20 auf das Substrat 12;
- c) Aufbringen wenigstens einer elektrisch isolierenden Schicht 28 auf das Substrat 12 in einem Bereich zwischen Source-Elektrode 18 und Drain-Elektrode 20 beziehungsweise zwischen Source-Bereich 14 und Drain-Bereich 16; und
- d) Aufbringen einer Gate-Elektrode 22 auf die elektrisch isolierende Schicht 28, wobei die Gate-Elektrode 22 ein elektrisch leitfähiges keramisches Material aufweist und wobei die Gate-Elektrode 22 eine Schwankungsbreite ihrer Dicke aufweist, die größer oder gleich einem Viertel ihrer Gesamtdicke ist.
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2 zeigt weiterhin eine Schnittansicht eines Gassensors 10. Ein derartiger Gassensor 10 umfasst eine durch ein Dünnschichtverfahren elektrisch isolierende Schicht 28, etwa einer Dicke von 30nm, die auf einem Halbleitersubstrat 12 angeordnet ist. Auf der elektrisch isolierenden Schicht 28 ist das poröse elektrisch leitende keramische Material erkennbar, welches als Gate-Elektrode 22 dienen kann und welches etwa durch ein Aerosol-Sprühdruckverfahren aufgebracht ist. Dabei kann nur eine Schicht 24 porös sein oder beide Schichten 24, 26. Aus einem derartigen keramischen Material kann etwa durch eine Strukturierung eine vorbeschriebene Dicke beziehungsweise Rauigkeit erzielt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007040726 A1 [0003]
