DE4333875C2

DE4333875C2 - Halbleiter-Gassensor auf der Basis eines Kapazitiv Gesteuerten Feldeffekttransistors (Capacitive Controlled Field Effect Transistor, CCFET)

Info

Publication number: DE4333875C2
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: 1995-08-17
Anticipated expiration: 2013-10-06
Also published as: DE4333875A1

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 Aufgabe wird 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 kapazitiv gesteu erten Feldeffekttransistors (Capacitive Controlled Field effect Transistor: CCFET), dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Halbleitersubstrat ein Feldeffekttransistor und ein Kondensator mit Luftspalt räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, wobei die Steuerelektrode (Gate) und die Bezugselektrode (Source) des Transistors durch elektrische Verbindung mit den Platten des Kondensators kapazitiv ge koppelt sind.

2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gateelektrode des Feldeffekttransistors und die mit ihr verbundene Elektrode des Kondensators elektrisch floatend sind.

3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt durch eine oder mehrere gasempfindliche Schichten begrenzt wird, die mit einer Änderung ihrer Aus trittsarbeit auf Gaseinwirkungen reagieren.

4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der koppelnde Kondensator aus mehreren pa rallel geschalteten Kondensatoren mit Luftspalt besteht.

5. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Gateelektrode und die mit ihr elek trisch verbundenen Teile durch einen Guardring mit geeigne tem Potential vor Aufladung durch Kriechströme geschützt werden.

6. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß unter den Gebieten in denen die Gateelektrode ohne Luftspalt direkt auf dem Substrat aufliegt, für eine Minimierung des Einflusses parasitärer Kapazitäten im Sub strat Gebiete mit umgekehrter Dotierung ausgebildet sind, die mit einem geeigneten Potential versehen werden werden.

7. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kondensator hybrid aufgebaut ist, indem im Substrat über der einen Elektrode des Kondensators durch entsprechende Strukturierung der technologischen Schichten ein Relief ausgebildet ist und die Gegenelektrode des Kon densators min Verfahren der hybriden Technik nachträglich angebracht wurde, oder der gesamte Kondensator separat hy brid hergestellt und mit den entsprechenden Elektroden des Feldeffekttransistors verbunden ist.

8. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß er vollständig oder teilweise mit einem Stan dardverfahren der Mikroelektronik hergestellt und zusammen mit anderen Sensoren und signalverarbeitenden Schaltungen integrierbar ist.