DE4333875A1

DE4333875A1 - Halbleiter-Gassensor auf der Basis eines Capazitive Controled Field Effect Transistor (CCFET)

Info

Publication number: DE4333875A1
Application number: DE19934333875
Authority: DE
Inventors: Zenko Dipl Ing Gergintschew; Dagmar Schipanski; Peter Kornetzky
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-10-05
Filing date: 1993-10-05
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2013-10-06
Also published as: DE4333875C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor auf Halbleiterbasis, der aus einem Feldeffekttransistor und einer mit ihm gekoppelten Luftkapazität besteht. Halbleiter-Gassensoren unter Ausnutzung des Feldeffektes sind bekannt aus mehreren Patentschriften und Veröffentlichungen. So wurde von Lundström in Sensors and Actua tors B (1981) S. 403-426 ein Pd-Gate-FET, der auf Wasserstoff und Wasserstoffverbindungen reagiert, vorgestellt. Die Wirkungs weise dieses Sensors und vieler nachfolgender Modifikationen (z. B. Patentschrift JP 1213563 A) besteht darin, daß abgespalte ne oder aus der Umgebung adsorbierte Wasserstoffatome an die Gate/Gateisolator-Zwischenfläche gelangen, dort polarisiert wer den und zu einer Änderung der Schwellspannung des Transistors führen. Nachteilig wirkt sich dabei die Tatsache aus, daß, um an diese Zwischenfläche zu gelangen, die Wasserstoffatome durch das Pd-Gate diffundieren müssen. Das erhöht wesentlich die Ansprech- und Relaxationszeiten des Sensors und die angezeigte Gaskonzen tration entspricht nur mittelbar der tatsächlichen. In den Pa tentschriften US 4411741, DE 38 34 189, DE 38 07 603 und im Prü fungsantrag Nr.: P 4239319.1-52 sind Gassensoren vorgestellt, die dieses Problem durch das Anbringen eines Luftspaltes unter der Gateelektrode im Gateisolatorsystem des Transistors lösen. So wird das Sensorsignal durch Adsorption an der Oberfläche gewon nen. Es können verschiedene Gase mit den entsprechenden sensiti ven Schichten detektiert werden ohne die beschränkenden Bedin gung der Gaslöslichkeit in den Schichten. Die Anwesenheit des Luftspaltes im Gatesystem des FET führt aber zu mehreren negati ven Erscheinungen, die das Driftverhalten des Sensors ver schlechtern und seine Lebensdauer verkürzen:

- Durch den Luftspalt ist der FET direkt den Umgebungseinflüssen ausgesetzt.
- Das Weite : Länge-Verhältnis (W : L) des FET ist von den lateralen Dimensionen des Luftspaltes abhängig und so durch die tech nologischen Möglichkeiten seiner Herstellung beschränkt.
- Die geringe Gatekapazität (ε_rLuft = 1) und das kleine W : L-Ver hältnis bedingen ein kleines Stromvermögen des Transistors und so ein ungünstiges Signal-Drift-Verhältnis.
- Der Luftspalt und so alle adsorbierten Ladungen befinden sich in den elektrischen Feldern des Transistors und können umgrup piert werden, was auch zu einer Drift führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter-Gas sensor anzugeben, bei welchem die Anwesenheit eines Luftspaltes schnelle und genaue Messungen ermöglicht und gleichzeitig die oben aufgezählten negativen Einflüsse auf die Stabilität und die Lebensdauer des Sensors aufhebt.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch einen Halbleiter- Gassensor gelöst, bei dem der auswertende FET und der Luftspalt mit der gasempfindlichen Schicht räumlich von einander getrennt aber gleichzeitig elektrisch gekoppelt sind. Diese Kopplung wird realisiert durch die Verlängerung der Steuer- und der Bezugs elektrode des Transistors (z. B. Gate und Source), so daß sie die zwei Elektroden eines Luftkondensators bilden. Die gasempfindli che Schicht bedeckt eine der beiden Elektroden. Mittels Guard technik werden die Auswirkungen von parasitären Kapazitäten sowie von Kriechströmen minimiert. Die lateralen Dimensionen des Luftspaltes sind von den technologischen Möglichkeiten begrenzt. Zur Vergrößerung der Luftkapazität können bei einem erfindungs gemäßen Sensor mehrere parallel geschaltete Luftkondensatoren angeordnet werden, um eine bessere Kopplung zu erreichen.

Der Sensor kann mit Standardverfahren der Mikroelektronik herge stellt und zusammen mit anderen Sensoren und signalverarbeiten den Schaltungen integriert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem monolithisch integrierbaren Sensor wird in der Fig. 1 dargestellt und im folgenden beschrieben.

Fig. 1 Aufbau eines monolithisch integrierbaren Halbleiter- Gassensors gemäß der Erfindung.

Der in der Fig. 1 dargestellte Sensor besteht aus einem Feldef fekttransistor, realisiert in einem Substrat 1 aus p-Sili zium. Das Source 2 und das Drain 3 sind n⁺-dotiert. Die Gateelektrode 4 und das Source 2 des Transistors sind ver längert und über einen Luftspalt 5 miteinander kapazitiv ge koppelt. Über dem Luftspalt 5 befindet sich eine gasempfindli che Schicht 6. Die Gateelektrode 4 und der Luftspalt sind vom Silizium durch eine Isolatorschicht 7 getrennt. Die Gate elektrode 4 ist umrahmt mit einem Guardring 8 und unter der Gateauflage befindet sich im Substrat ein n⁺-Gebiet 9.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem hybriden Aufbau des Kondensatorteils wird in der Fig. 2 dargestellt.

Fig. 2 Aufbau eines hybriden Halbleiter-Gassensors gemäß der Erfindung.

Der in der Fig. 2 dargestellte Sensor besteht ebenso aus einem Feldeffekttransistor, realisiert in einem p-Si Substrat 10. 11 und 12 sind die n⁺-dotierten Source- und Draingebiete. Die Poly-Si Gateelektrode 13 wird verlängert und bildet die untere Elektrode 14 des Kondensatorteils. Die floatende Gateelektrode wird von einem Guardring 15 umgeben. Die Wirkung der parasi tären Kapazität der Gateelektrode gegenüber Substrat wird durch ein n-Gebiet 16 verringert, dessen Potential geeignet nach geführt wird. Durch Ausnutzung der technologisch bedingten Hö henunterschiede z. B. in der Isolatorschicht 17 und Aufbringen einer Deckelektrode 18 über der verlängerten Gateelektrode 14 entsteht der koppelnde Kondensator mit dem Luftspalt 19. Die gasempfindliche Schicht 20 kann an der unteren Seite der Deckelektrode 18 oder über der verlängerten Gateelektrode 14 angebracht werden.

Bezugszeichenliste

1 Substrat aus p-Silizium
2 n⁺-Source
3 n⁺-Drain
4 Gateelektrode
5 Luftspalt
6 gasempfindliche Schicht
7 Isolator
8 Guardring
9 n⁺-Gebiet
10 Substrat aus p-Silizium
11 n⁺-Source
12 n⁺-Drain
13 Poly-Silizium Gateelektrode
14 verlängerte Gateelektrode
15 Guardring
16 n-Wanne
17 Isolator
18 Deckelektrode
19 Luftspalt
20 gasempfindliche Schicht

Claims

1. Halbleiter-Gassensor auf der Basis eines Capacitive Controled Field Effect Transistor (CCFET), dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Feldeffekttransistor und einem integrierten oder hybriden Kondensator mit Luftspalt besteht.

2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor und der Luftspalt räumlich getrennt sind.

3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Bezugselektrode des Transistors mit dem Kondensator mit Luftspalt gekoppelt sind.

4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Luftspalt durch eine oder mehrere gasemp findliche Schichten begrenzt wird.

5. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Luftkapazität aus mehreren parallel ge schalteten Luftkondensatoren bestehen kann.

6. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Gateelektrode durch einen Guardring mit geeignetem Potential vor Aufladung durch Kriechströme ge schützt wird.

7. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß unter der Auflage der Gateelektrode für die Minimierung des Einflusses der parasitären Kapazitäten im Substrat Gebiete mit umgekehrter Dotierung erzeugt werden, die mit einem geeigneten Potential versehen werden.

8. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kopplung zwischen der verlängerten Steuer elektrode und einer hybrid angebrachten Elektrode reali siert werden kann.

9. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß er vollständig oder teilweise mit einem Stan dardverfahren der Mikroelektronik herstellbar und zusammen mit anderen Sensoren und signalverarbeitenden Schaltungen integrierbar ist.