FR2939892A1 - Detecteur de gaz comportant un transistor a effet de champ - Google Patents

Abstract

Détecteur de gaz (1) comportant un transistor à effet de champ (FET) pour détecter des gaz ou des mélanges gazeux, formés d'un substrat (5) avec une zone de source (S), une zone de drain (D) et une zone de porte (G), une couche (10) sensible aux gaz étant prévue sur la zone de porte (G). Un agent d'accrochage (15), poreux pour accrocher la couche (10) sensible aux gaz à la zone de porte (G).

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention concerne un détecteur de gaz comportant un transistor à effet de champ (FET) pour détecter des gaz ou des mélanges gazeux, formé d'un substrat avec une zone de source (S), une zone de drain (D) et une zone de porte (G), une couche sensible aux gaz étant prévue sur la zone de porte. Etat de la technique On connaît des détecteurs de gaz à transistor à effet de champ. Leur principe de mesure repose fondamentalement sur la diffusion des gaz à détecter dans une couche sensible aux gaz produisant une variation de potentiel au niveau du transistor FET : un substrat porte un transistor à effet de champ ayant une zone de source (S), une zone de drain (D) une zone de porte (G). Une couche sensible aux gaz est appliquée sur la zone de porte (G). Lorsque le détecteur de gaz à transistor FET (détecteur de gaz FET) est exposé à un gaz ou à un mélange gazeux, le gaz ou le mélange gazeux à détecter diffuse dans la couche sensible aux gaz, en générant ou en modifiant ainsi le potentiel de la surface limite avec la zone de canal (K) entre la zone de source (S) et la zone de drain (D). Cette variation de potentiel peut se détecter comme signal de mesure par une variation d'intensité ou de tension. Partant de ce principe de base, on connaît également différentes variantes et développements. Habituellement, la couche sensible aux gaz est séparée de la zone de porte (G) par une couche intermédiaire. Cela protège d'une part la zone de porte (G) contre l'effet nocif du gaz et d'autre part la couche sensible (qui est en général électroconductrice pour permettre de régler un potentiel défini sur la zone de porte (G)) est isolée électriquement de la zone de canal (K) du transistor FET. La couche intermédiaire sert ainsi de couche protectrice de la zone de porte (G) et en même temps de couche d'isolation. C'est ainsi que par exemple, le document DE 10 2005 008 051 Al décrit un transistor FET sensible aux gaz et un procédé de commande de celui-ci ; la couche sensible a une porosité avec des pores ouverts et une épaisseur quelconque. Cette couche est appliquée directement sur l'isolation d'un transistor FET sans intervalle

2 d'air. La couche sensible est ainsi positionnée directement au-dessus de la zone de canal du transistor FET et coopère indirectement avec le transistor FET par une électrode de porte, flottante, sans potentiel. Pour assurer en toute sécurité sa fonction de couche d'isolation électrique et de protection chimique, la couche de séparation est réalisée si possible par une couche chimique inerte, électriquement isolante, fermée et compacte. Les matières habituelles assurant cette fonction sont par exemple des oxydes thermiques, les oxydes LPCVD (oxydes résultant d'un dépôt chimique à la vapeur basse pression) ou io encore des nitrures LPCVD. Ces couches ont une faible rugosité de surface. Il en résulte un accrochage moyen de la couche sensible à la couche de séparation. Par ailleurs, un très bon accrochage de la couche sensible sur le transistor FET est une condition essentielle de la fiabilité 15 et de la sécurité de fonctionnement du détecteur de gaz. En effet, souvent, les détecteurs de gaz sont en effet exposés à un environnement de mesure sollicitant fortement les couches sensibles, d'une manière mécanique ou chimique. Un exemple est celui de l'utilisation d'un détecteur ou capteur de gaz pour détecter les oxydes d'azote NO. dans 20 la conduite des gaz d'échappement d'un moteur à combustion. Les contraintes mécaniques peuvent par exemple être des fortes vibrations, des débits de gaz très dynamiques ou encore la congélation à cause de la température. Un exemple de sollicitation chimique est celui provoqué par les gaz d'échappement ou l'humidité dans l'environnement de 25 mesure. But de l'invention Il existe un besoin de détecteur de gaz à transistor à effet de champ dont la couche sensible offre un meilleur accrochage dans la zone de porte (G) du capteur par comparaison au détecteur de gaz à 30 transistor FET, connu selon l'état de la technique. Exposé et avantages de l'invention Le détecteur de gaz FET est caractérisé par un agent d'accrochage, poreux pour accrocher la couche sensible aux gaz à la zone de porte (G). Le détecteur a l'avantage que sa couche sensible est 35 accrochée de manière renforcée. Cet accrochage améliore et permet une

3 utilisation fiable et de longue durée du détecteur de gaz FET même dans un environnement difficile avec des contraintes importantes appliquées à la couche sensible. Cet effet avantageux résulte de la matière poreuse jouant le rôle d'agent d'accrochage. L'invention ne nécessite pas de modification compliquée du procédé de fabrication du détecteur de gaz FET. Bien au contraire, la matière poreuse selon l'invention, peut s'intégrer simplement et de manière appropriée dans le procédé de fabrication existant.

Il est en outre avantageux de pouvoir choisir comme matériau poreux un matériau qui initialement n'est pas poreux, c'est-à-dire un matériau compact pour le procédé de fabrication du détecteur FET. La porosité du matériau s'obtiendra pendant le procédé de fabrication du détecteur FET. L'utilisation d'un matériau qui, après son application est tout d'abord compact, permet de rendre poreux le matériau, en particulier de façon locale, c'est-à-dire par une réaction chimique ou électrochimique en utilisant un masque photographique ou sous la forme d'une réaction photo-induite par insolation sélective. Cela permet de représenter des zones qui pourront recevoir ensuite l'éclairage avec une résolution locale. Dessin La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans le dessin annexé dans lequel : - la figure unique montre en coupe un exemple de détecteur de gaz FET selon l'invention. Description de modes de réalisation de l'invention Un premier exemple de réalisation du détecteur de gaz selon l'invention est représenté à la figure 1. De façon générale, le détecteur de gaz 1 à transistor à effet de champ (FET) servant à détecter des gaz ou des mélanges gazeux comprend un substrat 5 avec une zone de source (S), de drain (D) et de porte (G) ; une couche 10 sensible aux gaz est appliquée sur la zone de porte (G). Selon l'invention, il est en plus prévu un agent d'accrochage poreux 15 pour accrocher la couche 10 sensible aux gaz à la zone de porte (G).

4 De façon avantageuse, les pores de l'agent d'accrochage 15 créent la possibilité d'une diffusion profonde de la couche sensible 10 dans la matière de l'agent d'accrochage 15. Les cavités de l'agent d'accrochage 15 peuvent être remplies complètement ou du moins partiellement avec la matière de la couche sensible. La couche sensible est ainsi pratiquement ancrée solidairement dans l'agent d'accrochage 15. La caractéristique de porosité de l'agent d'accrochage 15 assure un blocage ferme de la couche sensible aux gaz 10 sur l'agent d'accrochage 15.

De manière préférentielle, l'agent d'accrochage poreux 15 est une couche intermédiaire entre la zone de porte (G) et la couche sensible aux gaz 10. L'agent d'accrochage poreux 15 peut avoir une caractéristique d'isolation électrique. Dans ce cas, l'agent d'accrochage 15 sert également d'isolation électrique entre la zone de canal (K) et la couche sensible 10, ce qui permet de supprimer avantageusement toute couche d'isolation séparée. En variante, l'agent d'accrochage 15 peut également avoir une caractéristique de conductibilité électrique. Dans ce cas, on pourra appliquer avantageusement sur la zone de porte (G) des couches sensibles non fermées, c'est-à-dire non reliées les unes aux autres. Ces couches pourront alors être mises en contact par l'intermédiaire de l'agent d'accrochage 15 électroconducteur. En outre, le cas échéant, on peut avoir une couche d'isolation électrique 7 entre l'agent d'accrochage poreux 15 et la zone de porte (G). Cela peut être par exemple nécessaire si, comme indiqué ci-dessus, l'agent d'accrochage 15 est électroconducteur. Mais dans le cas d'un agent d'accrochage 15 isolant électrique, une couche de protection sous la forme d'une couche d'isolation 7 pourra constituer un moyen approprié pour protéger la zone de porte (G) contre l'action directe des gaz ou augmenter l'isolation électrique en plus de celle assurée par l'agent d'accrochage 15 lui-même isolant électrique. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, l'agent d'accrochage poreux 15 est constitué par du carbure de silicium poreux SiC. Ce choix du matériau donne un matériau semi-conducteur chimiquement inerte ce qui évite tout influence non voulue des gaz de l'environnement sur l'agent d'accrochage 15 en carbure de silicium poreux SiC. Le carbure de silicium poreux SiC convient précisément pour une utilisation dans un 5 environnement difficile grâce à sa stabilité chimique et thermique très poussée. De plus, on dispose actuellement de techniques avantageuses permettant d'usiner de manière fiable le semi-conducteur SiC. Cela permet une fabrication contrôlée de SiC poreux. La réalisation d'un agent d'accrochage 15 sur la zone de porte (G) peut être intégré sans nécessiter des moyens importants dans le procédé de fabrication existant d'un détecteur de gaz FET. Enfin, on peut régler de manière définie la conductivité électrique du carbure de silicium SiC par un dosage précis du matériau. Cela permet une très grande liberté de conception si l'on utilise le carbure de silicium SiC comme agent d'accrochage 15, qui se présente sous une forme électroconductrice ou isolante. Le silicium (Si), poreux est un autre matériau approprié comme agent d'accrochage poreux 15. En principe, le silicium Si a les mêmes avantages que ceux donnés ci-dessus pour le carbure de silicium SiC avec une stabilité chimique ou thermique plus limitée par comparaison à celle du carbure de silicium SiC. Mais en revanche, le silicium SiC constitue un matériau de base de la technique des semi-conducteurs offrant un grand éventail de méthodes d'usinage et de procédés confirmés. Selon un autre mode de réalisation particulièrement avantageux, l'agent d'accrochage poreux 15, a un gradient de porosité. L'intensité de la porosité de l'agent d'accrochage 15 n'est pas constante mais elle varie dans la couche suivant une direction de l'espace. Il est proposé de modifier la porosité de l'agent d'accrochage 15 dans la direction opposée à celle du substrat 5. Dans un cas particulier, on aura par exemple un matériau fermé dans la zone inférieure de l'agent d'accrochage 15, c'est-à-dire dans celle la plus proche de la zone de canal (K). En d'autres termes, le matériau poreux n'existera pas dans cette zone. La porosité augmente toutefois en direction de la zone

6 supérieure, c'est-à-dire dans la zone la plus éloignée de la zone de canal (K). Au niveau de la surface extérieure de l'agent d'accrochage 15, la porosité sera la plus importante. De manière avantageuse, cette façon de procéder permet d'avoir d'une part une liaison aussi optimale que possible, c'est-à-dire solidaire de l'agent d'accrochage 15 à la couche qui se trouve en dessous, c'est-à-dire la zone de canal (K) et le cas échéant, avec une couche d'isolation 7. D'autre part, grâce à la porosité élevée dans la zone supérieure de l'agent d'accrochage 15, on aura une diffusion suffisante de la couche sensible aux gaz dans l'agent d'accrochage 15 et ainsi un accrochage plus fort dans l'agent d'accrochage 15. Indépendamment de la porosité variable ou non de l'agent d'accrochage 15, on peut appliquer la couche sensible aux gaz 10 dans l'agent d'accrochage poreux 15 ou l'intégrer dans celle-ci. Dans le premier cas, la couche sensible aux gaz 10 dépasse en hauteur l'agent d'accrochage 15 comme le montre la figure unique, alors que dans le second cas, la couche sensible aux gaz 10 est intégrée complètement dans la matière poreuse de l'agent d'accrochage 15, si bien que la couche sensible aux gaz 10, ne dépasse pas de l'agent d'accrochage 15 (ce cas n'est pas représenté sur la figure). Dans les deux cas, au moins une partie de la couche sensible aux gaz 10 est diffusée dans la matière poreuse de l'agent d'accrochage 15. Cette partie de la couche sensible aux gaz 10 diffusée dans la matière poreuse de l'agent d'accrochage 15, n'est pas représentée de manière explicite sur la figure pour ne pas compliquer le dessin. Du reste, dans toutes les formes de réalisation de l'invention, on peut augmenter l'accrochage de la couche sensible aux gaz 10 à la zone de porte (G) en appliquant un procédé de séchage et/ou de frittage.

Enfin, il est à remarquer que l'invention est particulièrement utile si la couche sensible aux gaz 10 comporte des métaux cristallins et en particulier nanocristallins. 15 25

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1 °) Détecteur de gaz (1) comportant un transistor à effet de champ (FET) pour détecter des gaz ou des mélanges gazeux, formé d'un substrat (5) avec une zone de source (S), une zone de drain (D) et une zone de porte s (G), une couche (10) sensible aux gaz étant prévue sur la zone de porte (G), caractérisé par un agent d'accrochage (15), poreux pour accrocher la couche (10) sensible aux gaz à la zone de porte (G). 10 2°) Détecteur de gaz (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent d'accrochage (15), poreux est électro-isolant ou est électroconducteur. 3°) Détecteur de gaz (1) selon la revendication 1, caractérisé par une couche d'isolation électrique (7) entre l'agent d'accrochage poreux (15) et la zone de porte (G). 20 4°) Détecteur de gaz (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent d'accrochage poreux (15) est du carbure de silicium (SIC), poreux ou du silicium (Si), poreux. 5°) Détecteur de gaz (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent d'accrochage poreux (15) est une couche intermédiaire entre la zone de porte (G) et la couche (10) sensible aux gaz. 30 6°) Détecteur de gaz (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent d'accrochage poreux (15) a une porosité variant suivant un gradient, notamment l'intensité de la porosité de l'agent d'accrochage 35 (15) augmente dans la direction s'écartant du substrat (5). 10 158 7°) Détecteur de gaz (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche (10) sensible aux gaz est prévue dans l'agent d'accrochage poreux (15). 8°) Détecteur de gaz (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche (10) sensible aux gaz est intégrée dans l'agent d'accrochage poreux (15). 9°) Détecteur de gaz (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'accrochage de la couche (10) sensible aux gaz sur la zone de porte (G) est renforcé par un procédé de séchage et/ou de frittage. 10°) Détecteur de gaz (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche (10) sensible aux gaz comporte des métaux cristallins, notamment nanocristallins. 20