DE102005010032A1

DE102005010032A1 - Gassensitiver Feldeffekttransistor, Betriebsverfahren und Verwendung

Info

Publication number: DE102005010032A1
Application number: DE200510010032
Authority: DE
Inventors: Ignaz Prof. Eisele; Gunter Freitag; Thorsten Knittel
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2006-09-07
Also published as: WO2006092397A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen gassensitiven Feldeffekttransistor mit
- einer gassensitiven Schicht (7), die Austrittsarbeitsänderungen bei vorhandenem Zielgas aufweist,
- mindestens einem Feldeffekttransistor (FET) zur Signalauslesung, der der gassensitiven Schicht (7) benachbart ist und auf den ein an dieser vorhandenes Potential direkt einkoppelt oder der zur gassensitiven Schicht (7) beabstandet positioniert ist und das Potential über eine Floating Gate-Elektrode (4) an diesen übertragbar ist,
wobei der Feldeffekttransistor entsprechend dem Aufbauprinzip Silizium-auf-Isolator (SOI) aufgebaut ist, wobei als Substrat ein Isolator (51) dient, auf den eine Schicht Bulk-Silizium (12) aufgebracht ist, worin die Strukturen eines Feldeffekttransistors wie Drain (2), Source (3), Kanal (11) und Kanalisolierung (54) eingebaut sind und ein Gate (8) mit einer gassensitiven Schicht (7) über der Kanalisolierung (54) direkt oder unter Darstellung eines Luftspaltes fixiert ist.
Produkte: Gassensoren, Drucksensoren, Abgassensoren an Motorsystemen.

Description

Die Erfindung betrifft einen gassensitiven Feldeffekttransistor, dessen gassensitive Schicht bei vorhandenem Zielgas Austrittsarbeitsänderungen aufweist, die mit einem FET ausgelesen werden. Weiterhin werden ein Betriebsverfahren sowie eine Verwendung angegeben.

Bisher verwendete herkömmliche Transistoren, die auch zur Auslesung von Gassensor-Signalen eingesetzt werden und nach dem lateralen Aufbauprinzip hergestellt sind, können lediglich bis zu einer Temperatur von ca. 180 °C betrieben werden. In den Transistoren dieses Typs sind notwendige Halbleiterbarrieren enthalten, die bei ca. 180 °C verschwinden und den Feldeffekttransistor funktionsunfähig machen. Dies hat zur Folge, dass der gassensitive Feldeffekttransistor nur bis maximal 180 °C betrieben werden kann.

Ein derart eingeschränkter Betriebstemperaturbereich schränkt unmittelbar die Anzahl der verfügbaren sensitiven Materialien ein, die für eine gassensitive Schicht herangezogen werden können. Da die darüber liegenden Betriebstemperaturbereiche nicht nutzbar sind, können vor allem chemisch aktive Schichten mit einem hohen Potential für Selektivität und hohe Signalpegel nicht genutzt werden, da viele erst bei einem höheren Temperaturbereich über 180 °C reversibel funktionieren. Des Weiteren reagieren herkömmliche gassensitive Feldeffekttransistoren sehr empfindlich auf Temperaturschwankungen. Um ein Signal für einen kleinen Temperaturbereich von nur wenigen °C konstant zu halten, ist regelmäßig ein umfangreicher Justieraufwand zu betreiben.

Im Bereich der gassensitiven Feldeffekttransistoren zur Signalauslesung in Verbindung mit gassensitiven Schichten, die bei einem vorhandenen Zielgas Austrittsarbeitsänderungen zeigen, sind keine Lösungen bekannt, die einen stabileren Aufbau bieten oder die Anzahl der potentiell verfügbaren gassensensitiven Schichten optimieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gassensitiven Feldeffekttransistor bereitzustellen, der auch bei höheren Temperaturen als 180°C stabil funktioniert.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die jeweilige Merkmalskombination der Ansprüche 1, 3 bzw. 4.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Erweiterung des Betriebsbereichs bei gassensitiven Feldeffekttransistoren durch den Einsatz der so genannten "Silizium-on-Isolator"- Technik erzielbar ist. Damit ist es möglich, einen Transistor zu konstruieren, dessen Barrieren bauartbedingt erst bei weit über 400 °C versagen, womit die obere Betriebstemperatur gegeben ist. Der zur Auslesung eines Signals aus der gassensitiven Schicht eingesetzte Feldeffekttransistor kann als so genannter SG-FET (Suspended Gate FET) oder als CC-FET (Capacitive Coupled FET) realisiert werden. In beiden Fällen ist ein nach üblicher Technik lateral aufgebauter Transistor vorhanden, wobei dieser jedoch ein Substrat aus einem Isolator enthält. Vorzugsweise wird Siliziumoxid eingesetzt. Der im Verhältnis zum Stand der Technik vorhandene Unterschied besteht in der Verwendung dieses Isolators, wohingegen üblicherweise ein leitendes Substrat eingesetzt wird. Bei der so genannten SOI-Technologie wird auf dieses Substrat aus beispielsweise SiO₂ eine Schicht aus so genanntem Bulk-Silizium aufgetragen. In diese Schicht werden die üblichen Merkmale eines Feldeffekttransistors, nämlich Drain, Kanal, Kanalisolierung, Source ein- bzw. aufgebracht.

Auf ein leitfähiges Substrat kann bei der SOI-Technik verzichtet werden, so dass sich darauf bezogene stark temperaturabhängige Leckströme nur wenig störend auswirken.

Die Erfindung sieht den Einsatz eines Auslesetransistors in einem gassensitiven Feldeffekttransistor vor, der in SOI (Silicon on Isolator) Technologie aufgebaut ist.

Das Maximum der Betriebstemperatur kann für einen derartigen FET um ca. 200 °C gesteigert werden. Die Anzahl der einsetzbaren sensitiven Materialien kann allein dadurch wesentlich erhöht werden.

Die Verwendung derartiger Sensoren bringt besondere Vorteile beim Einsatz im Abgasstrom von Verbrennungskraftmaschinen, da hier ein völlig neues Anwendungsgebiet erschlossen wird.

Im Folgenden werden anhand der begleitenden und lediglich schematisch dargestellten Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben.

1 zeigt einen Feldeffekttransistor in lateraler Ausbildung dargestellt durch die so genannte SOI-Technologie,

2 zeigt den Teil eines gassensitiven Feldeffekttransistors mit einem Vertikaltransistor und einer Floating Gate Elektrode, die ein Potential von einer nicht dargestellten gassensitiven Schicht zuführt,

3 zeigt die gesamte Ansicht eines gassensitiven Feldeffekttransistors, in dem sowohl die SOI-Technologie als auch der Einsatz eines Vertikaltransistors realisiert sind,

4 zeigt ein exemplarisches Diagramm einer Wasserstoffmessung mit einem SOI-FET,

5 zeigt eine Eingangskennlinienschar des gassensitiven Transistors,

6 zeigt Eingangskennlinien für verschiedene Temperaturen,

7 zeigt einen Schnitt durch einen Feldeffekttransistor herkömmlicher Bauart.

Durch die Erfindung werden in einem ersten Schritt wesentliche Betriebstemperaturerhöhungen und Stabilisierungen mit entsprechenden Vorteilen wie Erhöhung der Anzahl der sensitiven Schichten, die verwendbar sind, erzielt. Dieser erste Schritt besteht in dem Austausch eines herkömmlichen Auslesetransistors lateraler Bauart, der ein leitendes Substrat aufweist, durch einen ebenfalls lateral aufgebauten Feldeffekttransistor zur Auslesung eines Signals, der jedoch auf einem isolierenden Substrat wie beispielsweise Siliziumdioxid aufgebaut ist. Auf diesem Isolator wird der laterale Feldeffekttransistor in SOI-Technologie aufgebracht, die wesentlich höhere Betriebstemperaturen als 180 °C erlaubt.
7 zeigt einen nach dem Stand der Technik lateral aufgebauten Feldeffekttransistor zur Auslesung eines Signals an einer gassensitiven Schicht. Der Transistor besteht insbesondere aus einem leitenden Substrat 10, einem in einer Wanne im Substrat platzierten Bulk-Silizium 12 sowie den für einen Transistor obligatorischen Elementen Drain 2, Source 3, Kanal 11 und Gate 8. Die über dem Kanal 11 vorhandene Isolierung 54 ist die Kanalisolierung. Eine nicht näher dargestellte gassensitive Schicht ist auf dem Gate 8 aufgebracht und steht entweder in direktem Kontakt mit der Kanalisolierung 54 oder ist von dieser durch einen sehr engen genau zu justierenden Luftspalt getrennt. Ein Feldeffekttransistor nach diesem Stand der Technik weist eine Betriebstemperaturobergrenze von ca. 180 °C auf.
1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen SOI-FET zur Auslesung eines Signals einer gassensitiven Schicht. Zur Umsetzung der SOI-Technologie wird auf einem unten liegenden Substrat, welches durch eine Isolierung 51 dargestellt ist, Bulk-Silizium 12 aufgebracht. Die Elemente wie Drain 2, Kanal 11, Gate 8, Source 3 sind in der üblich lateralen Transistorbauweise vorhanden. Eine gassensitive Schicht ist am Gate 8 angebracht und liegt entweder direkt auf der Isolierung 54 auf oder ist über einen geringen Luftspalt relativ zur Isolierung 54 fixiert.
3 zeigt einen schematischen Aufbau eines SOI-FET mit floatendem Gate, in dem als Auslesetransistor ein Vertikaltransistor eingebaut ist. Auf der Isolierung 51 ist in 3, links dargestellt, im Bereich des kapazitiven Spannungsteilers 6 eine leitende Schicht aus Silizium/Bulk-Silizium 12 aufgebracht. Darüber folgt eine Isolierung 52. Das hybride Gate 9 ist an der Unterseite mit der gassensitiven Schicht 7 belegt. Ein so genanntes floatendes Gate 4 bzw. eine floatende Gate-Elektrode, die an sich potentialfrei ist, sorgt für die Übertragung des im Bereich des kapazitiven Spannungsteilers 6 durch die Austrittsarbeitsänderungen bei vorhandenem Zielgas an der gassensitiven Schicht auftretenden Signale bzw. deren Potential zu dem Auslese-FET. Dazu erstreckt sich das floatende Gate 4 bis zum Kanalbereich des Vertikaltransistors 1 in der 3, nach rechts. Der Vertikaltransistor 1 weist übereinander liegend Schichten mit entsprechenden Funktionen auf, wobei auf dem Isolator 51 Source 3 aufgebracht ist, darauf die Schicht für den Kanal 11 und darauf die Schicht zur Darstellung von Drain 2. An der Stirnseite dieser Schichtenfolge ist eine Isolierung 53 vorhanden. Die Isolierung 55 deckt das floatende Gate 4 nach oben hin insgesamt ab.
2 zeigt in vergrößerter Darstellung den rechten Teil aus 3. Dabei ist deutlich die Isolierung 53 auf der Stirnseite des Vertikaltransistors 1 zu erkennen. Das floating Gate ist bis in diesen stirnseitigen Bereich hinein verlängert und korrespondiert mit dem kapazitiven Spannungstei ler 6 entsprechend 3. Weiterhin ist eine den Kanalbereich 11 dreiseitig umschließende intrinsische Schicht angedeutet.
Der für den Vertikaltransistor 1 in 2 anzusetzende Leckagestrom ist der Strom I_Bulk, der zwischen Source 3 und Drain 2 trotz aller Gegenmaßnahmen auftritt.
In dem Diagramm entsprechend 4 wird die Ergebniskurve für einen Versuch mit jeweils 2 %iger Wasserstoffgasmischung gezeigt. Vermessen wird hier ein SOI-FET, der nach der SOI-Technologie gefertigt sein muss. Das Sensorsignal dargestellt durch den Strom I_DS gemessen in μA zeigt deutlich erkennbare Signalpegel. Das Gesamtniveau des Sensorsignals fällt mit zunehmender Zeit nur geringfügig ab.
5 zeigt eine Eingangskennlinienschar des Transistors, wobei in diesem Fall der gassensitive FET einen Vertikaltransistor enthält. Im Diagramm wird über die Spannung U_GS gemessenen in Volt der Strom I_DS in μA aufgetragen. Die Eingangskennlinienschar unterscheidet sich jeweils in der Spannung U_DS, wobei die Kurve mit 100 mV die unterste Kurve in der 5 ist.
Die Indizes für Spannung und Strom bedeuten im Einzelnen G-Gate, S-Source und D-Drain.
6 zeigt Eingangskennlinien für verschiedene Temperaturen, wobei wie in 5 die Spannung U_GS gegen den Strom I_DS aufgetragen ist. Wird die Kurvenschar oberhalb des Wendepunktes betrachtet, so entspricht die oberste Kurve der geringsten Temperatur, nämlich 22 °C. In 6 ist rechts oben eine Ausschnittsvergrößerung im Spannungsbereich von –4,4 bis –3,3 V dargestellt. Der so genannte isotherme Punkt wird bis 300 °C gehalten.
Die sich durch die Erfindung ergebenden Vorteile sind insbesondere folgende:

– Durch die Verwendung eines SOI-GasFET kann die Anzahl der sensitiven Materialien zur Darstellung der gassensitiven Schichten deutlich erhöht werden.
– Temperatureinflüsse wirken sich nur noch minimal auf den Transistor aus. Dadurch wird eine deutlich höhere Stabilität des Sensorsystems erreicht. Der hierfür notwendige Aufwand wird deutlich reduziert.
– Durch die hohe Temperaturfestigkeit der eingesetzten Feldeffekttransistoren werden auch Messungen im Abgasstrom von Motoren möglich. Dies eröffnet ein neues Anwendungsgebiet für die gassensitiven Feldeffekttransistoren.
– Durch das vertikale Konzept des Transistors werden deutlich höhere W/L Verhältnisse (Kanalweite zu Kanallänge) möglich, als bei einer lateralen Variante. Dies führt zu einem deutlich empfindlicheren Messwandler.
– Ein Großteil der Vorteile ergibt sich durch den Einsatz der so genannten SOI-Technologie, wobei eine weitere Steigerung der Betriebstemperatur durch den Einsatz eines Vertikaltransistors erzielbar ist.

Claims

Gassensitiver Feldeffekttransistor mit: – einer gassensitiven Schicht (7), die Austrittsarbeitsänderungen bei vorhandenem Zielgas aufweist, – mindestens einem Feldeffekttransistor (FET) zur Signalauslesung, der der gassensitiven Schicht (7) benachbart ist und auf den ein an dieser vorhandenes Potential direkt einkoppelt oder der zur gassensitiven Schicht (7) beabstandet positioniert ist und das Potential über eine Floating Gate-Elektrode (4) an diesen übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekttransistor entsprechend dem Aufbauprinzip Silizium-auf-Isolator (SOI) aufgebaut ist, wobei als Substrat ein Isolator (51) dient, auf den eine Schicht Bulk-Silizium (12) aufgebracht ist, worin die Strukturen eines Feldeffekttransistors wie Drain (2), Source (3), Kanal (11) und Kanalisolierung (54) eingebaut sind und ein Gate (8) mit einer gassensitiven Schicht (7) über der Kanalisolierung (54) direkt oder unter Darstellung eines Luftspaltes fixiert ist.
Gassensitiver Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, worin die Bereiche der gassensitiven Schicht und des Auslesetransistors über eine Floating Gate-Elektrode (4) in Verbindung stehen und der Feldeffekttransistor ein Vertikaltransistor (1) ist.
Verfahren zum Betrieb eines gassensitiven Feldeffekttransistors, der entsprechend den Ansprüchen 1 oder 2 aufgebaut ist, worin die Betriebstemperatur bis in den Bereich von 180 bis 500 °C gesteigert werden kann.
Verwendung eines gassensitiven Feldeffekttransistors, der entsprechend den Ansprüchen 1 oder 2 aufgebaut ist zum Einsatz im Abgasstrom von Verbrennungskraftmaschinen.