DE102012213625A1 - Gas sensor e.g. oxygen sensor, for determining substance in e.g. gaseous mixture in exhaust line of combustion engine, has insulating layer including fluctuation margin with thickness larger or equal to quarter of overall thickness of layer - Google Patents
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Abstract
Description
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.The present invention relates to a gas sensor for the determination of substances contained in a gas mixture. The present invention further relates to a method for producing a gas sensor for determining substances contained in a gas mixture.
Stand der TechnikState of the art
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 kann beispielsweise aufgebracht werden durch Kathodenzerstäubung eines Edelmetalls oder einer Edelmetallmischung, etwa umfassend Platin und/oder Rhodium, oder auch per Beschichtung aus einer etwa lösemittelhaltigen, kolloidalen Lösung. Dabei wird die Lösung insbesondere aufgebracht, getrocknet und das meist kohlenstoffhaltige Lösungsmittel thermisch zersetzt. At present, for example, chemically sensitive field-effect transistors are known as chemical gas sensors, which are produced from a thin-film substrate with an electrical insulation. In this case, the insulation is arranged between a gate region of the substrate and an electrically conductive layer serving as a gate electrode, wherein, for example, the gate electrode can chemically interact with a gas to be detected. The electrically conductive layer can be applied, for example, by cathodic sputtering of a noble metal or a noble metal mixture, for example comprising platinum and / or rhodium, or else by coating from an approximately solvent-containing, colloidal solution. In this case, the solution is applied in particular, dried and the most carbon-containing solvent thermally decomposed.
Derartige Verfahren bieten jedoch noch Verbesserungspotential, da das gezielte ortsaufgelöste Aufbringen der Lösung, etwa mittels Dispensern oder Druck-Verfahren, schwierig ist. Zudem können unerwünschte Oberflächeneffekte auftreten, welche beispielsweise das Abwandern einzelner Tröpfchen bewirken können.However, such methods still offer potential for improvement, since the targeted spatially resolved application of the solution, for example by means of dispensing or printing methods, is difficult. In addition, undesirable surface effects may occur, which may cause, for example, the migration of individual droplets.
Aus dem Dokument
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
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 wenigstens eine elektrisch isolierende Schicht eine Schwankungsbreite ihrer Dicke aufweist, die größer oder gleich einem Viertel ihrer Gesamtdicke ist.The present invention relates to a gas sensor for the determination of substances contained in a gas mixture, comprising a substrate, on which a source electrode, a drain electrode and a gate electrode are arranged, wherein between the substrate and the gate electrode at least one electrically insulating layer is arranged, wherein at least one electrically insulating layer has a fluctuation width of its thickness which is greater than or equal to a quarter of its total thickness.
Durch einen derartigen Gassensor kann ein verbessertes Mess-Verhalten realisiert werden, und kann ferner eine besonders gute Herstellbarkeit ermöglicht werden.By such a gas sensor, an improved measurement behavior can be realized, and also a particularly good manufacturability can be made possible.
Ein Gassensor kann dabei insbesondere eine Vorrichtung sein, die in einem Gasstrom enthaltene Substanzen, wie insbesondere Gase, qualitativ und/oder quantitativ detektieren kann.A gas sensor may in particular be a device which can qualitatively and / or quantitatively detect substances contained in a gas stream, in particular gases.
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.In the context of the present invention, a fluctuation range of the thickness can also be understood as meaning the distance between a minimum value of the thickness and a maximum value of the thickness or the total thickness.
Ein vorbeschriebener Gassensor umfasst dabei einen Feldeffekttransistor, der in an sich bekannter Weise ein Substrat umfasst. Das Substrat kann beispielsweise aus 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.A gas sensor described above comprises a field-effect transistor which comprises a substrate in a manner known per se. The substrate may, for example, be made of silicon carbide, gallium nitride or of silicon and, for example, by appropriate doping, a source region, on which a source electrode is arranged, and a drain region spatially separated from the source region, on which a drain Electrode is arranged to have. Between the source region and the drain region, a channel or a space charge zone of the semiconductor substrate may be arranged or form during operation. Above the space charge zone of the substrate, an electrical insulator or an electrically insulating layer may be arranged, which separates the substrate or the space charge region from a gate electrode.
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. A field effect transistor or a field effect gas sensor can thus be understood in a manner known per se, in particular a structure in which an electrically and physically measurable variable can change during the adsorption of a specific gas or gas ions by the action of an electric field , This physically measurable variable can be, for example, an electrical resistance between two connection contacts or a capacitance that can be measurable between the electrode layer and a return electrode.
Bei einem vorbeschriebenen als Feldeffekttransistor ausgestalteten Sensor kann durch eine Wechselwirkung einer Gasspezies, beispielsweise, mit insbesondere der Gate-Elektrode in Wechselwirkung mit der elektrischen Isolierung und in Abhängigkeit der detektierten Spezies die Ladungsträgerkonzentration in der Raumladungszone verändert werden, so dass die Anwesenheit eines Gases anhand der Änderung des Kanalstroms erkannt werden kann.In the case of a sensor configured as a field-effect transistor, the charge carrier concentration in the space charge zone can be changed by an interaction of a gas species, for example with, in particular, the gate electrode in interaction with the electrical insulation and depending on the detected species so that the presence of a gas can be detected by the change in the channel current.
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 angrenzt. 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.In particular, the return electrode may be formed by the semiconductor substrate in which the source region, the drain region and the channel region of the gas-sensitive field effect transistor arranged between the source region and the drain region are formed, wherein at least one surface of the channel region or the space charge region adjoins the insulation layer borders. Such an embodiment offers the advantage that a device or a gas sensor in a wide variety of variants can be used for gas detection and thus can be adapted to the respective technologies used for the evaluation unit. This in turn can offer the advantage that the gas detectors can be manufactured on the basis of a semiconductor substrate, wherein different embodiments of the evaluation can also implement different designs of the gas sensors. Also, the different embodiments of the gas sensors may have different sensitivities with respect to different types of gases, so that the degree of freedom of the different design of a gas sensor, the device described above for high-precision gas detection can be used.
Dadurch, dass eine elektrisch isolierende Schicht vorgesehen ist, die eine Schwankungsbreite ihrer Dicke aufweist, die größer oder gleich einem Viertel ihrer Gesamtdicke beziehungsweise Maximaldicke ist, kann zum einen in besonders definierter Weise das Messverhalten beziehungsweise die Funktionsweise verbessert oder angepasst werden. Zum anderen kann durch die so erreichte Rauigkeit der Oberfläche der Schicht eine besonders gute Herstellbarkeit, etwa bei einem Depositionsprozess der Gate-Elektrode, erfolgen.The fact that an electrically insulating layer is provided, which has a fluctuation width of its thickness which is greater than or equal to a quarter of its total thickness or maximum thickness, on the one hand in a particularly defined manner, the measurement behavior or the operation can be improved or adjusted. On the other hand, due to the roughness of the surface of the layer achieved in this way, a particularly good manufacturability can be achieved, for example in the case of a deposition process of the gate electrode.
Dabei kann die Schwankungsbreite der Dicke einer elektrisch isolierenden Schicht sich etwa auf die Gesamtdicke beziehungsweise Maximaldicke der gesamten elektrisch isolierenden Schicht beziehen, etwa umfassend eine Mehrzahl an Einzelschichten beziehungsweise Lagen, oder aber insbesondere auf die Gesamtdicke der obersten, also sich unmittelbar unterhalb der Gate-Elektrode befindlichen elektrisch isolierenden Schicht für den Fall, dass eine Mehrzahl an elektrisch isolierenden Schichten vorgesehen sind.In this case, the fluctuation range of the thickness of an electrically insulating layer can relate approximately to the total thickness or maximum thickness of the entire electrically insulating layer, for example comprising a plurality of individual layers or layers, or in particular to the total thickness of the uppermost, ie immediately below the gate electrode located electrically insulating layer in the event that a plurality of electrically insulating layers are provided.
Unter einer elektrisch isolierenden Schicht kann dabei insbesondere eine Schicht verstanden werden, die einen spezifischen Widerstand von größer als 10E7 Ohm*cm oder eine Bandlücke von größer als 4eV aufweist.An electrically insulating layer may in particular be understood to mean a layer which has a specific resistance of greater than 10E7 ohm * cm or a bandgap of greater than 4 eV.
Dabei liegt eine wie vorstehend beschriebene Rauigkeit insbesondere auf der der Elektrode zugewandten Seite beziehungsweise Oberfläche und damit auf der dem Substrat entgegengesetzten Seite beziehungsweise Oberfläche vor. Eine derartige Rauigkeit kann dabei ausgestaltet sein durch Verzahnungen oder ähnliche Strukturen, welche von einer ideal planaren Oberfläche abweichen.In this case, a roughness as described above is present in particular on the side or surface facing the electrode and thus on the side or surface opposite the substrate. Such a roughness can be configured by gears or similar structures, which deviate from an ideal planar surface.
Im Detail kann beispielsweise durch das Vorsehen einer elektrisch isolierenden Schicht mit einer vorbeschriebenen definierten Rauigkeit auf dem insbesondere Halbleitersubstrat die darauf folgende beziehungsweise auf die elektrisch isolierende Schicht aufgebrachte elektrisch leitfähige Schicht beziehungsweise Elektrode eine besonders gute Haftung auf der elektrisch isolierenden Schicht aufweisen, welche gegenüber einem Haftvermögen auf einer isolierenden Schicht beziehungsweise auf dem Halbleitersubstrat gemäß dem Stand der Technik direkt deutlich verbessert ist. Dies kann beispielsweise bedingt sein dadurch, dass die elektrisch isolierende Schicht beziehungsweise beispielsweise Partikel oder eine zum Aufbringen verwendete Lösung mit den Verzahnungen oder ähnlichem auf der rauen Oberfläche besonders gut wechselwirken kann und ein Ablösen signifikant erschwert werden kann. In detail, for example, by providing an electrically insulating layer with a defined roughness on the particular semiconductor substrate, the subsequent electrically conductive layer or electrode applied to the electrically insulating layer may have a particularly good adhesion to the electrically insulating layer which is resistant to adhesion is significantly improved directly on an insulating layer or on the semiconductor substrate according to the prior art. For example, this may be due to the fact that the electrically insulating layer or, for example, particles or a solution used for application can interact particularly well with the teeth or the like on the rough surface, and detachment can be made significantly more difficult.
Weiterhin kann durch die definierte Rauigkeit der elektrisch isolierenden Schicht die Funktionsweise des Sensors an das gewünschte Anwendungsgebiet angepasst beziehungsweise für eine gewünschte Anwendung maßgeschneidert werden. Beispielsweise kann die elektrisch isolierende Schicht zusätzliche sensorrelevante Funktionen wahrnehmen. Dies ist zum einen der Fall für die Grenzfläche zwischen der elektrisch isolierenden Schicht und der Gate-Elektrode, die durch die Rauigkeit deutlich vergrößert werden kann. Dies kann aber auch für den Fall, dass die Gate-Elektrode die Rauigkeit nicht ausgleicht, beziehungsweise eine glatte Oberfläche bildet, eine 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 katalytisch ablaufenden Oberflächenreaktionen. Ebenso können sich an der rauen Oberfläche auch Kavitäten unterhalb der insbesondere porösen Gate-Elektrode bilden, in denen beispielsweise eine Speicherung eines zu detektieren Gases, beispielsweise Sauerstoff oder eines oder mehrerer Stickoxide erfolgen kann. Furthermore, the function of the sensor can be adapted to the desired field of application or tailor-made for a desired application by the defined roughness of the electrically insulating layer. For example, the electrically insulating layer can perceive additional sensor-relevant functions. This is the case for the interface between the electrically insulating layer and the gate electrode, which can be significantly increased by the roughness. However, this can also be in the event that the gate electrode does not compensate for the roughness, or forms a smooth surface, an enlargement of the surface of the gate electrode for selectively increasing the influence of adsorption of gases on the surface or for the targeted increase of the Influence of catalytic surface reactions. Similarly, cavities can also form on the rough surface below the porous gate electrode, in which, for example, storage of a gas to be detected, for example oxygen or one or more nitrogen oxides, can take place.
Folglich kann das Messverhalten wie auch das Herstellungsverfahren durch die Modifikation von später zu beschichten aktiven Sensorbereichen des Feldeffekttransistors verbessert werden, bevor dieser Bereich mit einer beispielsweise katalytisch aktiven Elektrode versehen werden kann.Consequently, the measurement behavior as well as the manufacturing method can be improved by the modification of later to be coated active sensor areas of the field effect transistor, before this area can be provided with an example catalytically active electrode.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann die elektrisch isolierende Schicht ein keramisches Material aufweisen. Insbesondere bei einem keramischen Material kann in geeigneter Weise eine Oberfläche mit einer obenstehend definierten Rauigkeit erzielt werden. Ferner kann insbesondere bei einer Kombination einer keramischen Oberfläche mit einer definierten Rauigkeit ein verbessertes Haftungsvermögen einer elektrisch isolierenden Schicht mit einer Elektrode ermöglicht werden. Darüber hinaus weisen insbesondere eine Vielzahl an keramischen Materialien elektrisch nicht leitende beziehungsweise elektrisch isolierende Eigenschaften auf, so dass insbesondere keramische Materialien gut als elektrisch isolierende Schicht dienen können. 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 mit einer vorstehend definierten Rauigkeit angeordnet. Within the scope of an embodiment, the electrically insulating layer may comprise a ceramic material. In particular, in the case of a ceramic material, a surface having a roughness defined above can be suitably obtained. Furthermore, in particular with a combination of a ceramic surface with a defined roughness, an improved adhesion of an electrically insulating layer to an electrode can be made possible. In addition, in particular a large number of ceramic materials have electrically non-conductive or electrically insulating properties, so that in particular ceramic materials can serve well as an electrically insulating layer. It is understood by those skilled in the art that the electrically insulating layer may consist of a ceramic material or may comprise further electrically insulating materials. In the event that further electrically insulating materials are provided, a ceramic material is arranged in particular on the side facing the electrode with a roughness defined above.
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 Raumtemperatur aus einer oder mehreren Materialvorstufen gebildet und sie können ihre typischen Werkstoffeigenschaften insbesondere durch einen bei hohen Temperaturen durchgeführten Sintervorgang erhalten.In this case, a ceramic material can be understood in a manner known per se, in particular a material which is in particular inorganic and non-metallic. Most ceramic materials or products made of ceramic materials are formed at room temperature from one or more precursor materials and they can get their typical material properties in particular by a sintering process carried out at high temperatures.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann das 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). Überraschenderweise wurde gefunden, dass derartige keramische Materialien einen besonders bevorzugten Effekt als Haftvermittler aufweisen. 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 erlaubt. Dabei kann gegebenenfalls der unter dem elektrisch isolierenden keramischen Material befindliche Anteil der elektrisch isolierenden Schicht insbesondere ausgestaltet aus in Dünnschichtverfahren, etwa einem physikalischen oder chemischen Dampfphasenverfahren, abgeschiedenen Schichten. Diese können etwa umfassen das gleiche Material wie die keramische Schicht, nämlich beispielsweise Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid oder eine Kombination aus diesen Materialien.In a further embodiment, the ceramic material may comprise a substance or consist of a substance which is selected from the group consisting of silicon-based materials, aluminum-based materials and / or oxides, nitrides and carbides. Exemplary electrically insulating ceramic materials include silicon oxide (SiO 2 ) and aluminum oxide (Al 2 O 3 ). Surprisingly, it has been found that such ceramic materials have a particularly preferred effect as adhesion promoters. This may be due, for example, to a connection of the ceramic material to the surface of the semiconductor substrate or a first electrically insulating layer, for example by chemical bonds, which allows a particularly stable composite. In this case, if appropriate, the portion of the electrically insulating layer located below the electrically insulating ceramic material may be configured in particular from layers deposited in thin-layer methods, for example a physical or chemical vapor-phase method. These may include, for example, the same material as the ceramic layer, namely, for example, silicon dioxide or silicon nitride or aluminum oxide or a combination of these materials.
Darüber hinaus sind derartige keramische Materialien chemisch weitestgehend inert, so dass sie auch extremen Bedingungen, wie sie beispielsweise bei einer Anwendung in dem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine herrschen können, problemlos standhalten können.In addition, such ceramic materials are largely chemically inert so that they can easily withstand extreme conditions, such as those that can prevail in an application in the exhaust system of an internal combustion engine.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die elektrisch isolierende Schicht porös sein, insbesondere wobei die elektrisch isolierende Schicht 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 80% der Materialdicke betragen. Insbesondere bei porösen Materialien kann eine besonders hohe Oberflächenrauigkeit erzeugt werden, welche ein besonders gutes Haftungsvermögen einer aufzubringen Gate-Elektrode auf der elektrisch isolierenden Schicht ermöglicht. Darüber hinaus kann durch eine poröse Schicht, die insbesondere unter einer nicht durchgängigen beziehungsweise ebenfalls porösen Elektrode angeordnet sein kann, 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. Dadurch 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.In a further embodiment, the electrically insulating layer may be porous, in particular wherein the electrically insulating layer may have a porosity of greater than or equal to 2% to less than or equal to 80%. The size of the individual pores can in turn be between 2% and 80%, preferably between 5% and 80% of the material thickness. Particularly in the case of porous materials, a particularly high surface roughness can be produced, which enables a particularly good adhesion of a gate electrode to the electrically insulating layer. In addition, storage of components from the gas stream to be measured can be made possible in a particularly advantageous manner by a porous layer, which can be arranged in particular under a non-continuous or likewise porous electrode. For example, oxygen or nitrogen oxides, which may be contained in a gas stream and which are to be detected, are stored in the pores and stored there. As a result, a particularly sensitive measurement behavior can be made possible, and furthermore, in particular by a tailoring of the pores in size and / or geometry, a particularly good selectivity for individual species can be made possible. It can be realized by the porosity both an increased roughness and an enlarged surface, which can make the sensor very sensitive. As a result, even the smallest amounts of a gas to be detected in a gas mixture can be reliably detected. In this regard, ceramic materials are particularly advantageous. The size and shape of the particles of the ceramic layer can be determined in a wide range during manufacture, for example, by appropriate conditions when precipitating particles from solution or by milling materials prior to application. Pores can be created either by choosing the conditions of sintering or by adding sacrificial materials that dissolve on sintering, such as an organic matrix, or dissolve after the layers have been formed, for example, by being water-soluble.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Gate-Elektrode durch auf die elektrisch isolierende Schicht aufgebrachte elektrisch leitfähige Partikel, insbesondere metallische Nanopartikel, ausgestaltet sein. In dieser Ausgestaltung kann die Geometrie der Gate-Elektrode besonders einfach angepasst werden, wodurch ein besonders definiertes Messverhalten ermöglicht werden kann. Darüber hinaus kann die Schichtdicke der Gate-Elektrode durch das Aufbringen etwa von Nanopartikeln besonders einfach eingestellt werden, so dass eine besonders definierte Gate-Elektrode realisierbar sein kann. Weiterhin kann durch Nanopartikel in besonders vorteilhafter Weise eine katalytisch aktive Elektrodenschicht realisiert werden, welche eine besonders effektive Wechselwirkung mit in einem Gas enthaltenen Gasen realisieren kann, und somit ein besonders sensitives Messverhalten bewirken kann. Beispielhafte Materialien, welche insbesondere als Nanopartikel zur Ausbildung einer Gate-Elektrode geeignet sein können, umfassen beispielsweise Gold, Silber, Platin, Rhodium oder Mischungen aus den vorgenannten Materialien. Dabei können im Sinne der Erfindung unter Nanopartikeln insbesondere verstanden werden Partikel, welche einen Durchmesser in einem Bereich von größer oder gleich 3nm bis kleiner oder gleich 500nm aufweisen. Bevorzugte Größen für die Nanopartikel liegen dabei zwischen 5nm und 20nm, womit sich ebenfalls bevorzugte Schichtdicken zwischen 20nm und 50nm realisieren lassen.In the context of a further embodiment, the gate electrode can be formed by electrically conductive particles, in particular metallic nanoparticles, applied to the electrically insulating layer, be designed. In this embodiment, the geometry of the gate electrode can be particularly easily adapted, whereby a particularly defined measurement behavior can be made possible. In addition, the layer thickness of the gate electrode can be set particularly easily by applying approximately nanoparticles, so that a particularly defined gate electrode can be realized. Furthermore, a catalytically active electrode layer can be realized by nanoparticles in a particularly advantageous manner, which can realize a particularly effective interaction with gases contained in a gas, and thus can cause a particularly sensitive measurement behavior. Exemplary materials which may be particularly suitable as nanoparticles for forming a gate electrode include, for example, gold, silver, platinum, rhodium or mixtures of the aforementioned materials. For the purposes of the invention, nanoparticles can be understood as meaning, in particular, particles which have a diameter in a range of greater than or equal to 3 nm to less than or equal to 500 nm. Preferred sizes for the nanoparticles are between 5 nm and 20 nm, which also makes it possible to realize preferred layer thicknesses between 20 nm and 50 nm.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die elektrisch isolierende Schicht als Mehrschichtsystem ausgestaltet sein. Beispielsweise kann das keramische Material lediglich zur Ausbildung einer geeigneten Rauigkeit unter Ausbildung eines Mehrschichtsystems auf eine weitere elektrisch isolierende Schicht aufgebracht werden. In dieser Ausgestaltung 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. Bezüglich der zweiten elektrisch isolierenden Schicht kann die Materialwahl dabei insbesondere auf das Ausbilden einer geeigneten Rauigkeit gerichtet werden. In the context of a further embodiment, the electrically insulating layer can be configured as a multilayer system. For example, the ceramic material can be applied to a further electrically insulating layer only to form a suitable roughness to form a multilayer system. In this embodiment, small demands can be made with regard to stability to a first electrically insulating layer, since this can then be at least partially covered by a further electrically insulating layer. Therefore, the choice of material of the first electrically insulating layer can be directed in particular to a good electrical insulation. With regard to the second electrically insulating layer, the choice of material can be directed in particular to the formation of a suitable roughness.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die elektrisch isolierende Schicht eine Dicke, insbesondere Gesamtdicke. in einem Bereich von größer oder gleich 10nm bis kleiner oder gleich 100nm aufweisen. In dieser Ausgestaltung kann der Gassensor besonders kompakt ausgestaltet sein, was ein besonders breites Anwendungsgebiet erlaubt. Darüber hinaus bietet etwa eine keramische Schicht oder eine weitere elektrisch isolierende Schicht in der vorbeschriebenen Dicke bereits eine gute Verbesserung des Haftungsvermögens des Elektrodenmaterials auf der elektrisch isolierenden Schicht und kann ferner gegebenenfalls in besonders vorteilhafter Weise Poren ausbilden, um die Funktionsweise wie vorstehend erläutert zu verbessern. Darüber hinaus kann durch eine derartig geringe Dicke ein besonders sensitives Messverhalten ermöglicht werden und ein Gassensor ferner besonders kostengünstig herstellbar sein.In the context of a further embodiment, the electrically insulating layer may have a thickness, in particular total thickness. in a range of greater than or equal to 10nm to less than or equal to 100nm. In this embodiment, the gas sensor can be designed to be particularly compact, which allows a particularly wide range of applications. Moreover, about a ceramic layer or another electrically insulating layer in the above-described thickness already provides a good improvement in the adhesion of the electrode material on the electrically insulating layer and may further optionally form pores in a particularly advantageous manner to improve the operation as explained above. In addition, a particularly sensitive measurement behavior can be made possible by such a small thickness and furthermore a gas sensor can be produced particularly cost-effectively.
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.With regard to further advantages and technical features of the gas sensor according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the method according to the invention, the figures and to the description of the figures.
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, wobei wenigstens eine elektrisch isolierende Schicht eine Schwankungsbreite ihrer Dicke aufweist, die größer oder gleich einem Viertel ihrer Gesamtdicke ist; und
- d) Aufbringen einer Gate-Elektrode auf die elektrisch isolierende Schicht.
- a) providing a substrate,
- b) applying a source electrode and a drain electrode spaced from the source electrode to the substrate;
- c) applying at least one electrically insulating layer to the substrate in a region between the source electrode and the drain electrode, wherein at least one electrically insulating layer has a fluctuation width of its thickness that is greater than or equal to one quarter of its total thickness; and
- d) applying a gate electrode to the electrically insulating layer.
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.Such a method is used in a particularly advantageous manner to produce a gas sensor according to the invention. In this case, the method can be carried out in a particularly simple and cost-effective manner, so that a gas sensor according to the invention can also be obtained in a particularly cost-effective manner.
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 sind. 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.In this case, a substrate is provided in a first method step a). The substrate can be configured in a manner known per se from a semiconductor material, in particular from silicon carbide. In this case, it may have a source region and a drain region which is at a distance from the source region and is present on the same surface, on which an electrically conductive layer as the source electrode or as the drain electrode is arranged by methods known per se. In the case of silicon or silicon carbide, for example, the source region or the drain region can be designed as a substrate material with a spatially resolved implantation process or, in the case of silicon, by a diffusion process with a corresponding doping. In particular, the source region and the drain region can be generated by an n + doping. In contrast, the substrate may have a p-doping, as is known in particular for a field effect transistor.
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. Die entsprechenden Elektroden können insbesondere durch ein physikalisches Verfahren wie beispielsweise ein Aufdampfen oder ein Sputterverfahren oder durch ein Abscheiden von Partikeln aus einer Suspension aufgebracht werden. On a substrate provided in this way, in a further method step b), a source electrode and a drain electrode arranged at a distance from the source electrode are applied. Conveniently, the source electrode on the source region and the drain electrode are applied to the drain region. The corresponding electrodes can be applied in particular by a physical method such as, for example, vapor deposition or a sputtering method or by precipitation of particles from a suspension.
In einem weiteren Verfahrensschritt c) wird wenigstens eine elektrisch isolierende Schicht auf das Substrat in einem Bereich zwischen Source-Elektrode und Drain-Elektrode aufgebracht, wobei wenigstens eine elektrisch isolierende Schicht eine Schwankungsbreite ihrer Dicke aufweist, die größer oder gleich einem Viertel ihrer Gesamtdicke ist. 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. 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, reaktives Sputtern in entsprechendem Gashintergrund 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.In a further method step c), at least one electrically insulating layer is applied to the substrate in a region between source electrode and drain electrode, wherein at least one electrically insulating layer has a fluctuation width of its thickness that is greater than or equal to one fourth of its total thickness. In this case, the electrically insulating layer can be applied directly and directly to the substrate, or indirectly to a further electrically insulating layer arranged on the substrate. In this case, the electrically insulating layer can be produced or deposited, for example, by methods customary in semiconductor processes. Suitable methods include, for example, physical deposition methods, such as PVD methods, magnetron sputtering, reactive sputtering in a corresponding gas background, or chemical deposition methods, such as chemical vapor deposition (CVD) or atomic layer deposition (ALD). In this case, the methods can be modified temporarily, for example by selecting deposition temperatures in the case of CVD or ALD or background pressures, for example during sputtering, such that a rough surface results after the deposition. The material of the electrically insulating layer may be a ceramic material or an electrically insulating material known from semiconductor technology.
Um die erzielte Rauigkeit einstellen zu können, kann das Aufbringen der elektrisch isolierenden Schicht etwa einen Aufbringungsschritt und einen nachfolgenden Strukturierungsschritt beziehungsweise einen teilweises Auflösen der Schicht umfassen, mit dem die gewünschte Rauigkeit beziehungsweise Porosität erzeugt werden kann.In order to be able to adjust the achieved roughness, the application of the electrically insulating layer may include, for example, an application step and a subsequent structuring step or a partial dissolution of the layer with which the desired roughness or porosity can be produced.
Bei den Dünnschichtverfahren kann etwa vor der Abscheidung auf ein Substrat 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.In the case of thin-film processes, it is possible, for example, to ensure that there is no uniform deposition from the gas phase before deposition onto a substrate, but that particles form, which deposit as a rough layer. As mentioned above, a compact, solid layer could also be deposited and subsequently patterned, for example by means of a mask performed, spatially resolved etching, for example dry etching with plasma or wet etching in solution.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann als elektrisch isolierende Schicht oder als Teil der elektrisch isolierenden Schicht ein keramisches Material aufgebracht werden, insbesondere wobei das keramische Material aufgebracht wird durch ein SolGel-Verfahren, Spin Coating, Rakeln, Auftropfen, Aufsprühen, Flammspraypyrolyse oder eine Kombination aus den vorgenannten Verfahren. Das keramische Material kann beispielsweise durch ein Abscheiden aus einer Lösung auf den Gate-Bereich des Feldeffekttransistors beziehungsweise auf die in dem Gate-Bereich angeordnete elektrisch isolierende Schicht realisiert werden. Das Verfahren kann dabei in an sich bekannter Weise eine Hydrolyse von Metallalkoholaten umfassen, beispielsweise von einem Aluminiumalkoholat, oder auch eine Kondensation unter Reaktionsbedingungen umfassen, 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, ausbildet beziehungsweise ausbilden. 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.Within the scope of an embodiment, a ceramic material can be applied as the electrically insulating layer or as part of the electrically insulating layer, in particular wherein the ceramic material is applied by a SolGel method, spin coating, doctor blotting, dropping, spraying, flame spray pyrolysis or a combination of the aforementioned method. The ceramic material can be realized, for example, by deposition from a solution onto the gate region of the field effect transistor or onto the electrically insulating layer arranged in the gate region. The process may comprise hydrolysis of metal alcoholates in a manner known per se, for example of an aluminum alkoxide, or else condensation under reaction conditions in which a layer comprising a ceramic material is present on the surface of the electrically insulating layer or nanoparticles in the desired size that attach, form or form to the insulating layer. Furthermore, drying and temperature treatment steps may be included for pyrolysis of organic residues and for triggering targeted sintering processes. By such methods, it is possible in a particularly simple manner, the ceramic material spatially resolved and applied in a suitable and defined thickness and roughness on a first electrically insulating layer or on the substrate. Such methods are also easy to carry out and thereby particularly cost effective in the application. Furthermore, the corresponding properties of the ceramic layer, in particular its thickness, porosity and surface roughness, can be adjusted in a particularly advantageous manner because a method known from ceramic technology permits very large parameter variations. Thus, for example, particles can be prepared from a solution on a surface before deposition and varied in many properties, for example, shape, size, reactivity during sintering. This leads to a particularly good applicability of a sensor according to the invention in a desired field of application.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Gate-Elektrode auf die elektrisch isolierende Schicht aufgebracht werden durch Beschichten der elektrisch isolierenden Schicht mit metallischen Nanopartikeln. Dies kann beispielsweise in Form eines Aufsprühens, Auftropfens, Aufrakelns oder Dosierens von in Flüssigkeit enthaltenen Nanopartikeln oder durch Flammspraypyrolyse realisierbar sein. Außerdem sind auch Verfahren aus der Halbleiterproduktion und Herstellung von dünnen Schichten möglich, bei denen eine Modifikation von Prozessparametern so erfolgt, dass metallische Nanopartikel entstehen. In dieser Ausgestaltung kann die Geometrie der Gate-Elektrode besonders einfach angepasst werden, wodurch ein besonders definiertes Messverhalten ermöglicht werden kann. Darüber hinaus kann die Schichtdicke der Gate-Elektrode durch das Aufbringen von Nanopartikeln besonders einfach eingestellt werden, so dass eine besonders definierte Gate-Elektrode realisierbar sein kann.In a further embodiment, the gate electrode can be applied to the electrically insulating layer by coating the electrically insulating layer with metallic nanoparticles. This can be realized, for example, in the form of spraying, dripping, knife coating or dosing of nanoparticles contained in liquid or by flame spray pyrolysis. In addition, methods from the semiconductor production and production of thin layers are possible, in which a modification of Process parameters so that metallic nanoparticles are formed. In this embodiment, the geometry of the gate electrode can be particularly easily adapted, whereby a particularly defined measurement behavior can be made possible. In addition, the layer thickness of the gate electrode can be set particularly easily by the application of nanoparticles, so that a particularly defined gate electrode can be realized.
Bezüglich weiterer Vorteil und technischer Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die vorstehenden Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Gassensors, der Figuren und der Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further advantage and technical features of the method according to the invention, reference is hereby explicitly made to the above statements with regard to the gas sensor according to the invention, the figures and the description of the figures.
Zeichnungen und BeispieleDrawings and examples
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 zeigenFurther advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted that the drawings have only descriptive character and are not intended to limit the invention in any way. Show it
In
Der Gassensor
Auf dem Substrat
Die elektrisch isolierende Schicht
Weiterhin kann die Gate-Elektrode
Ein Verfahren zum Herstellen eines vorbeschriebenen Gassensors
- 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
26 auf das Substrat 12 in einem Bereich zwischen Source-Elektrode 18 und Drain-Elektrode 20 , wobei wenigstens eine elektrisch isolierende Schicht26 eine Schwankungsbreite ihrer Dicke aufweist, die größer oder gleich einem Viertel ihrer Gesamtdicke ist; und - d) Aufbringen einer Gate-
Elektrode 22 auf die elektrisch isolierende Schicht26 .
- a) providing a
substrate 12 . - b) applying a
source electrode 18 and one of thesource electrode 18 spaceddrain electrode 20 on thesubstrate 12 ; - c) applying at least one electrically insulating
layer 26 on thesubstrate 12 in a region between thesource electrode 18 anddrain electrode 20 , wherein at least one electrically insulatinglayer 26 has a fluctuation width of its thickness which is greater than or equal to one quarter of its total thickness; and - d) applying a
gate electrode 22 on the electrically insulatinglayer 26 ,
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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