DE2852999A1

DE2852999A1 - Halbleitergasfuehler

Info

Publication number: DE2852999A1
Application number: DE19782852999
Authority: DE
Inventors: Shunji Suzuki
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1977-12-08
Filing date: 1978-12-07
Publication date: 1979-06-13
Also published as: DE2852999C2; US4238758A; JPS6045368B2; JPS5480194A

Description

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Halbleitergasfühler Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Halbleitergasfühler, der Gas mit Hilfe der Änderung der Schwellenwertspannung eines MOS-Transistors feststellt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen billigen Gasfühler mit kleinen Abmessungen und hoher Genauigkeit verfügbar zu machen.

In jüngerer Zeit sind zum Zweck der Verhinderung von Gasexplosionen und Feuerausbrüchen in Häusern und öffentlichen. Gebäuden billige Gasfühler mit hoher Genauigkeit allgemein entwickelt worden und einige von diesen sind in den Handel gekommen. Sollte in dem Gasfühler einmal eine Störung auftreten, könnte dies zu einem Unfall führen. Deshalb muß eine hohe Genauigkeit erwartet werden. Ferner sollte der Gasfühler im Hinblick auf seine Verbreitung in Wohnhäusern nicht so teuer sein.

Die herkömmlichen Gasfühler sind unter diesen Gesichtspunkten zu betrachten.

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Zunächst gab es einen Detektor, bei dem die Verbrennung des Gases unter Verwendung von Platin als Katalysator ausgenutzt wurde. Da der Katalysator in diesem Fall mit der Zeit schlechter wird, kann Gasalarm nur gegeben werden, wenn das Gas konzentriert vorhanden ist. Die Feststellspannung ist extrem niedrig, so daß eine komplizierte Brückenschaltung erforderlich ist und der Detektor teuer wird. Ferner ist es unmöglich, das festzustellende Gas auszuwählen.

Zur Überwindung dieser Mängel ist dann ein Detektor verwendet worden, bei dem ein gesinterter Metall-Oxid-Halbleiter verwendet wird. Dieser Detektor ist hochempfindlich gegenüber Gasen und sein Schaltungsaufbau ist einfach. Da das Sensorelement jedoch generell bis auf eine Temperatur von einigen hundert Grad Celcius erwärmt wird, um seine Empfindlichkeit zu verbessern, tritt ein beträchtlicher Verbrauch an elektrischer Energie auf, und die Stabilität des Elementes wird mit der Zeit schlechter, überdies ist das Problem der Möglichkeit für eine Auswahl des festzustellenden Gases noch nicht gelöst.

Zudem kann ein Detektor gebaut werden, bei dem eine fotoelektrische Methode oder eine Ionisationsmethode für einen. Rauchfühler benutzt wird. Beide Methoden sind schlecht hinsichtlich der Möglichkeit, das festzustellende Gas auszuwählen, und erfordern eine Anlage mit großen Abmessungen. Und

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da bei letzterer Methode ein Radioisotop als Ionisationsquelle verwendet wird, besteht eine gewisse Befürchtung, daß ein schädlicher Einfluß auf den menschlichen Körper ausgeübt wird.

In jüngerer Zeit ist ein Gasfühler vorgeschlagen worden, der als neue Methode zusätzlich zu den genannten Methoden einen MOS-Transistor verwendet. D. h., durch verwendung vom Gas absorbierendem und diesem gegenüber empfindlichem Material für die Gateelektroden solcher Transistoren wird eine Schwellenwertspannungsänderung aufgrund des Vorhandenseins von Gasen festgestellt. Bei einer solchen Methode können die Fühlerelemente durch allgemeine Herstellungsmethoden integrierter Schaltungen billig in Massenproduktion hergestellt werden, und die Qualität der Sensorelemente kann leicht konstant gehalten werden. Auch kann das Sensorelement extrem kleine Abmessungen aufweisen, so daß es nicht besonders schwierig ist, eine Treibschaltung auf einem Substrat herzustellen, und der Energieverbrauch kann herabgesetzt werden. Der einzige Mangel ist jedoch der, daß der diese Methode verwendende Sensor keine ausreichende Empfindlichkeit gegenüber Gasen besitzt, da ein Heizelement wie bei anderen Methoden im Hinblick auf die Langzeitzuverlässigkeit des MOS nicht verwendet werden kann.

Diese Probleme werden unter Lösung der oben angegebenen Auf-

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gäbe mit dem im Patentanspruch angegebenen Halbleitergasfühler gelöst.

Bei der vorliegenden Erfindlang kann zum Zweck des Erhaltes einer praktisch ausreichenden Gasempfindliehkeit bei einem bei Raumtemperatur betriebenen MOS-Transistor,unter Nachprüfung des Verhältnisses zwischen der Absorption von Gasen und der Schwellenwertspannungsänderung, ein MOS-Transistor mit hoher Empfindlichkeit verfügbar gemacht werden, bei dem die Schwellenwertspannungsänderung aufgrund von Absorption und Desorption von Gasen extrem groß ist.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert.

Ausführungsform 1:

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines MOS-Transistors, der zum Feststellen von Wasserstofgas benutzt wird. 1 ist ein Siliciumsubstrat, 2 eine Diffusionsschicht mit einer Leit— fähigkeitsart, die der des Siliciumsubstrats 1 entgegengesetzt ist, 3 ist eine Feldoxidschicht, 4 eine Gateoxidschicht, 5 eine Palladiumgateelektrode und 6 ein aus Chrom-Gold hergestellter Zuleitungsdraht zwischen Source und Drain. S, G und D stehen für Source, Gate bzw. Drain.

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Wenn bei einem MOS-Transistor zum Feststellen von Wasserstoff gas, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, Wasserstoff auf der Palladiumelektrode 5 absorbiert wird und in diese eindringt, wird eine polarisierte Schicht auf einer Grenzfläche zwischen der Gateoxidschicht und dem Substrat gebildet. Dann ändert sich die Austrittsarbeit des Palladiums, und dadurch ändert sich die Schwellenwertspannung. Diese Schwellenwertspannungsänderung wird gemessen. Im allgemeinen werden bei einem MOS-Transistor mit der in Fig. 1 gezeigten Struktur eine Siliciumscheibe als Substrat und Siliciumoxid als Gateoxidschicht verwendet. Wenn jedoch die genannten Materialien bei einem Gasdetektorfühler verwendet werden, wird die Polarisation der Grenzfläche zwischen der Gateoxidschicht und dem Substrat, die durch die Absorption und die Desorption von Wasserstoffgas verursacht wird, langsam bewirkt, und dadurch ändert sich die Schwellenwertspannung wenig. Deshalb ist es recht schwierig, diese Art Sensor praktisch zu verwenden.

Bei der vorliegenden Erfindung werden ungeachtet der herkömmlichen Siliciumdioxidschicht ferroelektrisch^ Substanzen verwendet, um leicht eine große Änderung der Schwellenwertspannung oder der Austrittsarbeit zu erhalten. Genauer gesagt: herkömmlicherweise wurde eine Siliciumdioxidschicht mit einer Dielektrizitätskonstanten von 4 bis 7 verwendet, während bei der vorliegenden Erfindung Titandioxid-Magnesiumoxid mit einer Dielektrizitätskonstanten von 18 bis 25 und Titandioxid

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mit einer Dielektrizitätskonstanten von 70 bis 85 für die Gateoxidschicht benutzt werden. Die damit erhaltenen Fühlerelemente sind im Vergleich zu herkömmlichen Elementen extrem empfindlich gegenüber Wasserstoffgas. Während die herkömmlichen Elemente Wasserstoffgas nur in einer Wasserstoff menge von 200 bis 300 ppm (Teilen pro Million) feststellen können, kann man mit den obigen erfindungsgemäßen Fühlerelementen Wasserstoffgas mit einer Wasserstoffmenge von nur SO bis 80 ppm feststellen. Überdies ändert sich die Schwellenwertspannung aufgrund der Absorption und Desorption von Gasen unmittelbar, wodurch man eine Gasempfindlichkeit in solcher Höhe erhalten kann, wie sie mit herkömmlichen Elementen nicht erhältlich ist. Wenn auch die Dielektrizitätskonstante von Siliciumdioxid, wie es als Gateoxidschicht beim herkömmlichen MOS-Transistor verwendet Wird, 4. bis 7 ist, können .-verschiedene Oxide, Nitride, Sulfide und andere Verbindungen mit einer Dielektrizitätskonstanten von wenigstens größer als 10 zum Zweck der Erhöhung der Empfindlichkeit gegenüber Gasen verwendet werden»

Ausführungsform 2:

Diese Ausführungsform befaßt sich mit einem Gasfühler, der den gleichen Aufbau aufweist, wie er in Fig. 1 gezeigt ist. Bei dieser Ausführungsform wird eine Bariumtitanat (BaTiO^r) Schicht, die allgemein als ferroelektrisch^ Substanz bekannt

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ist, zwischen der Gateelektrode und dem Substrat durch einen reaktiven Aufstäubungsprozeß erzeugt. Bei der Bariumtitanat-Schicht wird eine Dielektrizitätskonstante im Bereich von 620 bis 1.100 erhalten, und die Gasempfindlichkeit zeigt einen Wert, der einige zehnmal bis einhundert und einige zehnmal so groß wie bei herkömmlichen Fühlerelementen ist.

Obwohl in Fig. 1 der Gateelektrodendraht G vorgesehen ist, läßt man im Fall der Verwendung einer speziellen dielektrischen' Schicht das Gate elektrisch schwimmen, d. h. man kann bei dem Detektor diesen Gateelektrodendraht G weglassen.

Vorausgehend wurde die Feststellung von Wasserstoffgas beschrieben. Durch die Wahl der Substanz für die Gateelektrode können leicht andere brennbare Gase, beispielswe Kohlenstoffmonoxid, Sauerstoff und Ozon, festgestellt werden. Der Transistor, bei dem anstelle von Metall als Gatematerial SnO-, ZnO oder Fe2Ü2 verwendet werden kann, kann im weitem Sinn. als MOS-Transistor bezeichnet werden.

Bei dem einen erfindungsgemäßen MOS-Transistor verwendenden Gasfühler ist also eine dielektrische Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante zwischen der Gateelektrode und dem Substrat gebildet, wodurch ein Gasfühler geschaffen wird, dar

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hochempfindlich gegenüber Gasen ist und unmittelbar anspricht. Daher ist es möglich, einen billigen Gasfühler anzubieten, der hohe Zuverlässigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Gasfühlern aufweist, bei denen Platin oder ein gesinterter Metall-Oxid-Halbleiter verwendet werden.

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Claims

BLUMBACH ■ WESER · BERGEN · KRAMER ZWiRMER · HIRSCH · BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

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KABUSHIKI KAISHA SUWA SEIKOSHA 78/8770 3-4, 4-chome, Ginza, Chuo-ku,
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PATENTANSPRUCH

Halbleitergasfühler zur Feststellung des Vorhandenseins eines bestimmten Gases, bei dem eine Schwellenwertspannungsänderung eines MOS-Feldeffekttransistors ausgenutzt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Siliciumsubstrat (1) und einer Gateelektrode (5) des MOS-Feldeffekttransistors eine dielektrische Schicht (4) angeordnet ist, deren Dielektrizitätskonstante größer als 10 ist.

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München: R. Kramer Dipl.· Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. . P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brennt Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

ORIGINAl INSPECTED