FR2951273A1 - Dispositif semi-conducteur sensible aux gaz - Google Patents

Abstract

Dispositif semi-conducteur sensible aux gaz comportant un canal semi-conducteur (10) délimité par une première électrode de canal (12) et une seconde électrode de canal (14) ainsi qu'une électrode de porte (16) associée au canal et coopérant avec le canal de façon qu'en réaction, l'effet des gaz modifie la conductivité du canal (10). L'électrode de porte (16) comporte deux segments de surface (22, 24) du canal isolés par une couche d'isolation de porte (20) et/ou une couche de pile de porte (18) entre l'électrode de porte et le canal, les deux segments de surface ayant une sensibilité différente vis-à-vis des gaz.

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif semi-conducteur sensible aux gaz comportant un canal semi-conducteur délimité par une première électrode de canal et une seconde électrode de canal ainsi qu'une électrode de porte associée au canal et coopérant avec le canal de façon qu'en réaction, l'effet des gaz modifie la conductivité du canal. L'invention concerne également l'utilisation d'un tel dispositif.

Etat de la technique Un tel dispositif est connu de façon générale selon l'état de la technique et il est décrit sous la dénomination de CHEMFET dans le document US 4.411.741. Cette technique comme état de la technique générale et utilisée pour définir le type de référence, concerne un composant semi-conducteur sensible aux gaz, muni d'une couche sensible aux gaz dont les caractéristiques électriques sont modifiées par absorption et par adsorption de gaz et se répercutent sur le comportement électronique du composant semi-conducteur notamment par une variation de la conductivité du canal semi-conducteur ; comme effet par réaction, le courant passant entre la première électrode de canal (par exemple le drain) et la seconde électrode de canal (source) varie sensiblement par réaction aux gaz appliqués, à détecter. En particulier l'état de la technique utilise l'effet qu'une coopération des molécules de gaz à détecter avec une électrode de porte (par exemple à activité catalytique) produit une modification du potentiel de porte effectivement appliqué et qui entraîne selon la manière décrite, une variation du signal du courant drain-source comme signal caractéristique de mesure et/ou de détection.

Ainsi, selon l'état de la technique il est connu de réaliser une sélectivité vis-à-vis de certains gaz par le choix ou l'installation de matières d'électrodes de porte, appropriées, c'est-à-dire développer l'interaction décrite produisant une variation de conductivité seulement pour certains gaz ou certains mélanges de gaz.

2 Toutefois il est difficile de développer une telle sélectivité vis-à-vis d'une seule espèce de gaz, de manière non équivoque et très accentuée si bien qu'habituellement on a des influences parasites (sensibilité transversale) vis-à-vis d'autres composants gazeux. Selon l'état de la technique il est connu de compenser électroniquement ou par le calcul les signaux parasites ainsi combinés (signaux à rejeter) ; il est notamment habituel d'utiliser un champ de détecteurs composé de plusieurs CHEMFET (réseau de détecteurs) ayant des sélectivités différentes mais détectant différentes espèces de gaz pour obtenir dans les unités d'exploitation en aval, l'information souhaitée en traitant par le calcul, les différents signaux de capteurs. Indépendamment des moyens d'exploitation à mettre en oeuvre, il faut pour la transmission des signaux, appliquer une technique de multiplexage complexe et/ou prévoir plusieurs lignes électriques allant vers les différents transistor CHEMFET. But de l'invention La présentation a pour but de développer un dispositif semi-conducteur sensible aux gaz notamment aux composants semi-conducteurs sensibles aux gaz sous la forme d'un composant CHEMFET pour améliorer les signaux générés et leur exploitation avec des moyens de compensation simples, fiables et réduits. Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention concerne un dispositif semi-conducteur sensible aux gaz du type défini ci-dessus caractérisé en ce que l'électrode de porte et/ou une des électrodes de porte comportent deux segments de surface du canal isolées par une couche d'isolation de porte et/ou une couche de pile de porte entre l'électrode de porte et le canal, les deux segments de surface ayant une sensibilité différente vis-à-vis des gaz.

L'invention concerne également l'utilisation d'un tel dispositif semi-conducteur sensible aux gaz pour réaliser un capteur de gaz destiné à des applications industrielles et/ou de domotique, pour des fonctions de surveillance et/ou de détecteur de gaz notamment de gaz de combustion en technique automobile.

3 Ainsi selon l'invention, l'électrode de porte (en complément ou en variante la couche d'isolation de porte, en complément ou en variante, la couche de la pile de porte prévue de manière facultative) comporte deux segments de surface qui réalisent une électrode de porte (électrode commune) ayant des sensibilités pour différents gaz. On réalise ainsi de fait la fonction de deux composants semi-conducteurs connus intégrés dans un dispositif commun qui présente grâce aux deux segments de surface les caractéristiques de sensibilité prédéfinies ou intégrées, connues chacune de manière discrète. L'expression « sensibilité » dans le cadre de la présente invention et se rapportant aux segments de surface selon l'invention désigne la capacité de ces segments de surface d'absorber un gaz ou plusieurs gaz appropriés et de produire en réaction à cette absorption, une modification des propriétés qui se traduit selon l'invention par une variation de la conductivité du canal semi-conducteur. Un dispositif semi-conducteur réalisé de cette manière selon l'invention, notamment comme composant semi-conducteur unique, par exemple comme composant CHEMFET, permet par un branchement approprié de la première et de la seconde électrode de canal, notamment du branchement sur une tension à deux polarités différentes, suivant le mode de fonctionnement respectif, d'activer de manière ciblée à chaque fois l'un des segments de surface et de le faire réagir avec le gaz à détecter. On réalise ainsi selon l'invention un dispositif semi-conducteur dont la sensibilité vis-à-vis des gaz peut être commutée en fonction des deux segments de surface et dont on active la sensibilité par le branchement respectif (plus précisément la polarité de la tension de canal appliquée). Ce principe de l'invention repose sur la constatation particulière selon l'invention que suivant la polarité de la tension du canal (et de la zone d'appauvrissement généré dans la région de la première ou de la seconde électrode de canal dans le canal semi-conducteur) l'effet de sensibilité vis-à-vis des gaz se produit uniquement dans la zone d'appauvrissement d'une électrode de porte avec une sensibilité aux gaz, appropriée. En d'autres termes, lorsqu'un dispositif semi-conducteur sensible aux gaz selon l'invention notamment réalisé

4 comme composant CHEMFET, est au point de fonctionnement, seule la zone de canal appauvrie participe au signal de capteur (c'est-à-dire à la variation de la conductivité) lorsqu'un gaz est appliqué, en ne réagissant qu'avec le gaz à détecter.

Cette constatation est utilisée selon l'invention en localisant avantageusement les deux segments de surface pour qu'en fonction de l'état de commutation respectif (et de la zone d'appauvrissement ainsi produite dans le canal) seulement un des deux segments de surface, localement concerné est activé et peut influencer le comportement de combustion du semi-conducteur en fonction du gaz détecté. Selon l'invention, de manière préférentielle, les deux segments de surface sont divisés dans la direction d'extension du canal, sensiblement au milieu pour avoir une disposition symétrique. Il est tout aussi avantageux dans le cadre de l'invention, suivant un développement au cas par cas (notamment en accentuant une zone d'appauvrissement respective) d'installer avantageusement la zone transitoire entre les deux segments de surface plus près de l'une des deux électrodes de canal.

Pour une réalisation avantageuse de l'invention dans le cadre d'une architecture CHEMFET, il est tout d'abord avantageux que l'électrode de porte (en complément ou en variante notamment dans le cas d'une électrode de porte poreuse et ainsi perméable aux gaz), que la surface de la couche d'isolation de porte ou une couche de pile de porte soit munie de deux métaux différents ou d'alliages métalliques en fonction du comportement d'adsorption, différent respectif pour avoir la sélectivité souhaitée vis-à-vis des gaz. De tels métaux, alliages de métaux ou dopages, sont connus de manière générale selon l'état de la technique.

En complément ou en variante et selon un développement avantageux de l'invention, il est intéressant que (seulement) l'un des deux segments de surface de l'électrode de porte soit étanche aux gaz (soit aveugle vis-à-vis des gaz) et pour cela la surface de porte est métallisée avec un fil métallique fermé le cas échéant avec une couche de passivation supplémentaire alors que la seconde moitié de la zone de porte est munie d'une couche métallique sensible aux gaz (de manière caractéristique une couche poreuse à activité catalytique). Pour réaliser la commutabilité des sensibilités selon 5 l'invention vis-à-vis de différents gaz selon les deux segments de surface, il est prévu pour le fonctionnement en capteur et selon un développement de l'invention, de munir le dispositif semi-conducteur avec des moyens pour régler le point de fonctionnement si bien qu'en appliquant une polarité ou en commandant l'inversion de la polarité entre les deux électrodes de canal, on sélectionne et on commande l'effet de détection entre les deux segments de surface : dans un premier mode de fonctionnement selon l'invention, par une première tension électrique (de manière caractéristique la tension source-drain) d'une première polarité active, on active un premier segment de surface à savoir le segment de l'électrode de porte qui se situe au-dessus d'une zone d'appauvrissement généré dans le canal. Une électronique de saisie en aval permet alors de saisir de façon appropriée un signal de capteurs par exemple le courant entre le drain et la source. Pour activer le second segment de surface, tout en désactivant le premier segment de surface, dans le second mode de fonctionnement on inverse la tension appliquée aux électrodes de canal pour passer de la première polarité à la seconde polarité si bien que la zone d'appauvrissement se déplace à l'autre extrémité du canal et active ainsi le segment de surface localisé à cet endroit. Une sensibilité différente selon l'invention par rapport au premier segment de surface donne alors un signal de capteur modifié qui sera exploité de manière appropriée. En poursuivant l'exploitation il est non seulement possible et avantageux de générer de cette façon avec un seul élément semi-conducteur, les signaux de mesure pour deux gaz différents (c'est- à-dire pour les concentrations respectives) mais également pour résoudre la difficulté décrite dans le préambule dans le cadre de l'état de la technique, c'est-à-dire de permettre une compensation simple et fiable : ainsi en effet, par exemple le premier des deux segments de surface est sensible à NO gazeux, alors par une installation appropriée le second des deux segments de surface sera sensible à un mélange

6 gazeux , ici NO et NO2 de sorte que la présente invention permet de manière simple de déterminer un signal de détection NO2 (et ainsi d'assurer une compensation élégante de la sensibilité transversale décrite dans le préambule) simplement par soustraction des signaux générés dans les deux modes de fonctionnement ; cela annule l'influence de NO. Cette procédure est particulièrement avantageuse déjà du point de vue que dans le cadre d'une réalisation traditionnelle une telle mesure à l'aide de deux composants distincts, permet de tenir compte des tolérances de construction et le cas échéant du vieillissement différent des capteurs ce qui se réalise selon l'invention avec uniquement un composant. Ainsi la présente invention permet dans la réalisation de champs de capteurs à plusieurs éléments (nécessaires traditionnellement) de faire une économie considérable de circuits qui ne concerne pas seulement les composants semi-conducteurs eux-mêmes, mais également les branchements, câblages, techniques de multiplexage et autres moyens associés. De plus en fait on économise de la surface de semi-conducteur ce qui se répercute par une réduction poussée des coûts et crée des possibilités totalement nouvelles concernant les conditions d'installation limitées dans l'espace. La présente invention convient tout particulièrement pour des applications à des capteurs de gaz pratiquement quelconques et de préférence complexes, accessibles grâce au principe de l'invention. Et en particulier la réalisation physique compacte et efficace s'est avérée tout particulièrement intéressante dans le domaine automobile et surtout en liaison avec la mesure des gaz d'échappement, c'est-à-dire la réalisation d'une mesure de gaz chauds dans un environnement corrosif. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation préférentiels représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation d'un dispositif semi-conducteur sensible aux gaz comme composant CHEMFET, dans un premier mode de fonctionnement,

7 - la figure 2 montre le premier exemple de réalisation de la figure 1 mais dans le seconde mode de fonctionnement, - la figure 3 est une représentation schématique explicitant la concentration des électrons dans le canal du semi-conducteur, - la figure 4 montre un diagramme tension-capacité d'une structure MIS sous l'effet de deux gaz différents explicitant l'action sur l'appauvrissement, - la figure 5 montre un champ de caractéristiques intensité/tension d'un composant CHEMFET pour expliciter un réglage habituel du point de fonctionnement, - la figure 6 est une représentation schématique d'un second exemple de réalisation de l'invention. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 explicite schématiquement la structure et le branchement d'un dispositif semi-conducteur sensible aux gaz selon un premier exemple de réalisation de l'invention : Il s'agit d'un composant CHEMFET formé d'un canal semi-conducteur 10, d'une électrode de drain 12 (première électrode de canal) d'une électrode de source 14 (seconde électrode de canal) et d'une électrode de porte 16 divisée en deux partie avec interposition d'une couche d'isolant de porte 20 et d'une couche de surface de pile de porte 18 sur la porte avec des métallisations de porte différentes par moitié. En pratique dans cet exemple de réalisation, la porte métallique 16 est divisée en deux formant deux segments de surface 22, 24. La zone transitoire se situe au milieu entre le drain et la source et elle est orientée transversalement à l'extension du canal (et ainsi dans la direction perpendiculaire au plan de la figure). Un premier des deux segments de surface 22, 24 est revêtu de métaux, de métal-Cermet ou d'alliage de par exemple Pt, Pd, Au, Ag, Ir, Ti, Mn, Ni, Rh, Ru, Re pour avoir une première sensibilité par exemple vis-à-vis de NO, alors que le segment de surface 22, 24 est revêtu de métaux, de métal-Cermet ou d'alliages différents des matériaux et compositions de matériaux utilisés pour le segment de surface 22 pour avoir une seconde sensibilité par exemple vis-à-vis de NO + NO2. Les épaisseurs caractéristiques des couches de métallisation de porte dans les segments de surface 22, 24

8 se situent entre 10 nm et 200 nm et de préférence entre 30 nm et 100 nm. En variante on peut également obtenir des sensibilités différentes en utilisant non pas deux matériaux ou combinaison de matériaux différents mais en ce que la porte métallique 16 du segment de surface 22 diffère de la porte métallique 16 du segment de surface 24 par sa porosité et/ou sa morphologie. Le branchement pour un point de fonctionnement AP avec une tension de porte UG avec par exemple 2 volts pour une tension de drain-source UDS par exemple de 15 volts, génère dans la zone du drain (zone de la première électrode) une zone d'appauvrissement dans le canal semi conducteur 10 pour activer le segment de surface 24 de l'électrode de porte avec la sensibilité NO + NO2 et influencer le comportement en conduction du canal par la concentration du gaz ainsi saisie. La comparaison entre la représentation analogue de la figure 2 avec changement de polarité de la tension drain-source UDS montre que dans ce second mode de fonctionnement, sur la courbe caractéristique de la tension de porte UG de 2 volts, la zone d'appauvrissement dans le canal semi-conducteur 10 s'est déplacée en direction de l'électrode de source ; ainsi par rapport au premier état de fonctionnement de la figure 1, ce n'est plus le segment de surface 24 mais le segment de surface 22 de l'électrode de porte qui sera actif. Comme ce segment est par exemple sensible à NO du fait de l'organisation du semi-conducteur, le signal de capteur ainsi généré (flux du courant dans le canal) sera différent de celui du branchement (état de fonctionnement) de la figure 1 si bien qu'en comparant les deux signaux et notamment en formant la différence des deux signaux et en extrayant le composant NO, le dispositif selon le premier exemple de réalisation permettra une détection fiable et compensée de NO2. Les figures 3 et 4 explicitent la propriété avantageuse de l'invention d'un composant CHEMFET selon laquelle seul sera actif le segment de surface qui correspond à la zone d'appauvrissement du canal (segment de surface de la porte) et qui participe à la conductivité du canal c'est-à-dire permet une exploitation sélective ou une

9 commutation entre les deux segments de surface ; le schéma de la figure 3 montre un transistor FET, générique et les diagrammes des bandes correspondantes sur le côté de la source et le côté du drain ; la figure 4 montre des variations de capacité en fonction de la géométrie du canal comme résultant de simulations. La figure 6 montre un second exemple de réalisation de l'invention. Dans la mesure où les éléments correspondent à ceux des figures 1 et 2 on utilisera les mêmes références. Dans l'exemple de réalisation de la figure 6, on a une électrode de porte divisée en deux segments de surface 30, 32. Le revêtement des électrodes de porte est poreux et il est conçu pour que le gaz à détecter puisse traverser l'électrode de porte pour arriver jusqu'à la surface de la couche de pile de porte qui se trouve en dessous sur la couche d'isolant. Toutefois dans ce cas également, la surface supérieure de la couche de pile de porte est divisée géométriquement en deux parties selon les segments de surface 30, 32 à savoir les segments 34 et 36 et cette surface est munie de matériaux de sélectivité différents vis-à-vis des gaz (sensibilité). La couche de surface de la pile de porte 34, 36 est en des matériaux électro-isolants par exemple des oxydes tels que le dioxyde de silicium (SiO2), l'oxyde d'aluminium (AL2O3) l'oxyde de Hafnium (Hf02), l'oxyde de Tantale (Ta2O5), l'oxyde de Zirconium (ZrO2) et/ou des nitrures tels que par exemple le nitrure de silicium (Si3N4), le nitrure de bore (BN) et/ou des carbures tels que le carbure de silicium et/ou des siliciures tels que le siliciure de Tungstène (WSi2), le siliciure de Tantale (TaSi2) . Des dopages différents des deux couches de surface des piles de porte 34, 36 avec des métaux tels que par exemple Pt, Pd améliore en outre la sélectivité des zones de porte 30, 32. Des épaisseurs de couches caractéristiques des couches de surface de pile de porte se situent dans une plage de 10 nm à 500 nm et de préférence entre 20 nm et 100 nm. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation présentés dans les figures et de nombreuses variantes la concernant, la réalisation des segments de surface de l'électrode de porte, de la couche de l'isolation de porte et/ ou de la surface de la pile de porte sont possibles ; l'invention n'est pas non plus limitée à la

10 disposition symétrique telle que présentée et la division en segments de surface peut être modifiée de manière appropriée pour les électrodes de canal. En particulier l'invention concerne également les sélectivités différentes des segments de surface vis-à-vis des gaz obtenues en rendant une zone aveugle vis-à-vis des gaz (c'est-à-dire un segment de surface) par exemple avec un fil métallique fermé de sorte que l'invention permet ainsi la réalisation d'un dispositif semi-conducteur dont seulement une moitié de la porte est sensible aux gaz c'est-à-dire un dispositif dont on peut activer ou neutraliser la sensibilité vis-à-vis des gaz. Dans la mesure où la zone de porte est revêtue totalement ou par moitié d'un fil métallique fermé, on aura en variante une réalisation totalement insensible aux gaz et surtout pour la détection des hydrocarbures alors que par ailleurs les revêtements poreux connus en soi (ayant notamment une nano porosité) et une activité catalytique, conviennent pour de nombreux gaz contenant de l'hydrogène (par exemple l'ammoniac, les hydrocarbures et autres) ainsi que pour les gaz contenant de l'oxygène (tels que les oxydes d'azote, le monoxyde de carbone, etc.). On peut également envisager par exemple une réalisation combinant une première sensibilité d'un premier segment de surface vis-à-vis des oxydes d'azote et une seconde sensibilité correspondant à un second segment de surface pour une sélectivité vis-à-vis de l'hydrogène de sorte que par exemple on aura un composant semi-conducteur qui pourra commuter entre une fonction de détecteur NO et une fonction de détecteur H2.

11 NOMENCLATURE 10 canal 12 électrode de drain 14 électrode de source 16 électrode de porte 18 couche de surface de pile de porte 20 couche d'isolant de porte io 22 segment de surface 24, segment de surface 16 porte métallique

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1 °) Dispositif semi-conducteur sensible aux gaz comportant un canal semi-conducteur (10) délimité par une première électrode de canal (12) et une seconde électrode de canal (14) ainsi qu'une électrode de porte (16) associée au canal et coopérant avec le canal de façon qu'en réaction, l'effet des gaz modifie la conductivité du canal (10), caractérisé en ce que l'électrode de porte (16) et/ ou une des électrodes de porte (16) comportent deux segments de surface (22, 24) du canal isolés par une couche d'isolation de porte (20) et/ou une couche de pile de porte (18) entre l'électrode de porte et le canal, les deux segments de surface ayant une sensibilité différente vis-à-vis des gaz. 2°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif semi-conducteur est un composant semi-conducteur sous la forme d'un transistor à effet de champ (FET) notamment dans le transistor CHEMFET, les électrodes de canal étant l'électrode de drain (12) et l'électrode de source (14) du transistor FET. 3°) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la surface de l'électrode de porte est divisée en deux segments de surface dans deux zones (22, 24) en des matériaux différents, la transition des zones entre les électrodes de canal et s'étendant notamment transversalement à la direction longitudinale du canal (10). 4°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode de porte comporte deux métaux différents ou deux métallisations différentes pour réaliser les deux segments de surface. 5°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que 13 l'un des deux segments de surface de l'électrode de porte comporte un revêtement étanche aux gaz notamment une métallisation étanche aux gaz. 6°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins l'un des segments de surface de l'électrode de porte comporte un revêtement poreux notamment nano poreux et/ ou à activité catalytique. 7°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode de porte comporte une métallisation poreuse et l'électrode de pile de porte est en deux matériaux de surface différents pour réaliser les deux segments de surface. 8°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par des moyens pour régler le point de fonctionnement par l'application d'une première tension électrique, d'une première polarité correspondant à un premier mode de fonctionnement entre la première et la seconde électrode de canal, les moyens de réglage du point de fonctionnement étant réalisés pour appliquer de manière commandée une seconde tension électrique d'une seconde polarité opposée à la première polarité, dans un second mode de fonctionnement. 9°) Le dispositif selon la revendication 8, caractérisé par des moyens d'exploitation électronique pour saisir des signaux de fonctionnement notamment dans un courant de canal passant en fonctionnement pour le dispositif semi-conducteur dans son premier mode de fonctionnement, et dans son second mode de fonctionnement ainsi que pour comparer ces signaux de fonctionnement et/ou former une différence des signaux de fonctionnement. 14 10°) Application du dispositif semi-conducteur sensible aux gaz selon l'une des revendications 1 à 9, pour réaliser un capteur de gaz à des fins industrielles et/ou de domotique, pour des fonctions de surveillance et/ ou de capteurs de gaz d'échappement notamment de capteurs de gaz d'échappement provenant de la combustion en technique automobile.10