DE4333875A1 - Halbleiter-Gassensor auf der Basis eines Capazitive Controled Field Effect Transistor (CCFET) - Google Patents
Halbleiter-Gassensor auf der Basis eines Capazitive Controled Field Effect Transistor (CCFET)Info
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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 (εrLuft = 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
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 (9)
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.
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