DE2852999C2

DE2852999C2 - Gasfühler

Info

Publication number: DE2852999C2
Application number: DE2852999A
Authority: DE
Inventors: Shunji Suwa Nagano Suzuki
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1977-12-08
Filing date: 1978-12-07
Publication date: 1986-07-31
Also published as: JPS6045368B2; DE2852999A1; JPS5480194A; US4238758A

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasfühler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In jüngerer Zeit sind zum Zweck der Verhinderung von Gasexplosionen und Feuerausbrüchen in Häusern und öffentlichen Gebäuden billige Gasfühler hoher Genauigkeit entwickelt worden und zum Teil auch in den Handel gekommen. Sollte in einem solchen Gasfühler einmal eine Störung auftreten, dann könnte dies zu einem Unfall führen. Deshalb ist eine hohe Genauigkeit Voraussetzung. Ferner darf der Gasfühler im Hinblick auf seine Verbreitung in Wohnhäusern nicht so teuer sein.

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 bei hoher Gaskonzentration gegeben werden. Die Spannung, die bei Anwesenheit des Gases vom Detektor abgegeben wird, ist sehr niedrig, so daß eine komplizierte Brückenschaltung erforderlich ist und die Detektoranordnung teuer wird. Ferner ist es unmöglich, selektiv ein bestimmtes Gas nachzuweisen.

Zur Überwachung 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 auf eine Temperatur von einigen hundert Grad Celsius erwärmt werden muß, 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, 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 bekanntgeworden. Journal of Applied Physics, Vol.46, No. 9, Sept. 1975, S. 3876-3881, der in Form eines MOS-Transistors aufgebaut ist. Das heißt, bei Verwendung von Gas adsorbierendem und diesem gegenüber empfindlichem Material für die Gateelektrode dieses Transistors 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 auch der Energieverbrauch kann herabgesetzt werden. Der einzige Mangel ist jedoch der, daß der diese Methode verwendende Sensor ohne zusätzliche Heizung keine ausreichende Empfindlichkeit gegenüber Gase besitzt Ein Heizelement aber beeinträchtigt die Langzeitzuverlässigkeit des MOS-FET.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gasfühler der eingangs angegebenen Art zu schaffen, der schon bei Raumtemperatur eine hohe Empfindlichkeit besitzt
Diese Aufgabe wird mit dem im Patentanspruch 1 angegebenen Halbleitergasfühler gelöst.

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

Aus der US-PS 38 32 700 ist bereits eine ferroelektrische Speicheranordnung in Form eines MIS-Transistors bekannt, dessen Gate-Isolierschicht ersetzt ist durch einen dünnen Film eines aktiven ferroelektrischen Materials, ζ. B. Wismuthtitanat, mit einem reversibel polarisierbaren Dielektrikum mit Hystereseeigenschaft. Dieser Stand der Technik steht in keinerlei Zusammenhang mit einem Gasfühler.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.

Ausführungsform 1

Die Figur zeigt eine Schnittansicht eines MOS-Transistors, der zum Feststellen von Wasserstoffgas benutzt wird. 1 ist ein Siliciumsubstrat, 2 eine Diffusionsschichl mit einer Leitfähigkeitsart, 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. 5, G und D stehen für Source, Gate bzw. Drain.

Wenn bei einem MOS-Transistor zum Feststellen von Wasserstoffgas, wie er in der Figur gezeigt ist, Wasserstoff auf der Palladiumelektrode 5 adsorbiert 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 der Figur 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 /wischen der Gateoxidschicht und dem Substrat, die durch die Adsorption und die Desorption von Wasserstoffeas ver-

ursachl wird, langsam bewirkt, und dadurch ändert sich die Schwellenwertspannung wenig. Deshalb ist es recht schwierig, diese Art Sensor praktisch zu verwenden.

Bei dem vorliegenden MIS-Feldeffekttransistor werden ansteile der herkömmlichen Siliciumdioxidschicht ferroelektrische 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 dem vorliegenden MIS-Feldeffekttransistor Titandioxid-Magnesiumoxid mit einer Dielektrizitätskonstanten von 18 bis 25 und Titandioxid 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 Wasserstoffmenge von 200 bis 300 ppm (Teilen pro Million) feststellen können, kann man mit den obigen erfindungsgemäßen Fühlerelementen Wasserstoffgas mit einer Wasserstoffmenge von nur 50 bis 80 ppm feststellen. Überdies ändert sich die Schwellenwertspannung aufgrund der Adsorption und Desorption von Gasen unmittelbar, wodurch man eine Gasempfindlichkeit in solcher Höhe erhalten kann, wie sie mit herkömmlichen Elementen nicht erhältlich ist. Anstelle von Siliciumdioxid, das als Gateoxidschicht beim herkömmlichen MOS-Transistor verwendet wird und dessen Dielektrizitätskonstante 4 bis 7 ist, können verschiedene Oxide, Nilride, Sulfide und andere Verbindungen mit einer Dielektrizitätskonstanten von mehr als 10 zum Zweck der Erhöhung der Empfindlichkeit gegenüber Gasen verwendet werden.

Ausführungsform 2 verlässigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Gasfühlern aufweist, bei denen Platin oder ein gesinterter Metall-Oxid-Halbleiter verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Diese Ausführungsform befaßt sich mit einem Gasfühler, der den gleichen Aufbau aufweist, wie er in der Figur gezeigt ist. Bei dieser Ausführungsform wird eine Bariumtitanat (BaTiO₃-)Schicht, die allgemein als ferroelektrische Substanz bekannt ist, zwischen der Gateelektrode und dem Substrat durch einen reaktiven Aufstäubungsprozeß erzeugt. Bei der Bariumtitanat-Schicht wird eine Dielektrizitätskonstante im Bereich von 620 bis 1100 erhalten, und die Gasempfindlichkeit zeigt einen Wert, der mehr als hundertmal so groß wie bei herkömmlichen Fühlerelementen ist.

Obwohl in der Figur 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 Galeelektrodendraht G weglassen.

Vorausgehend wurde die Feststellung von Wasserstoffgas beschrieben. Durch die Wahl der Substanz für die Gateelektrode können leicht andere brennbare Gase, beispielweise Kohlenstoffmonoxid, Sauerstoff und Ozon, festgestellt werden. Ein Transistor, bei dem anstelle von Metall als Gatematerial SnO2, ZnO oder Fe₂Oi verwendet wird, kann im weiten Sinne noch als MIS- bzw. MOS-Transistor bezeichnet werden.

Bei dem einen MIS-Transistor nach Anspruch 1 verwendeten Gasfühler ist also eine dielektrische Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante zwischen der Gateelektrode und dem Substrat gebildet, wodurch ein Gasfühler geschaffen wird, der hochempfindlich gegenüber Gasen ist und unmittelbar anspricht. Daher ist es möglich, einen billigen Gasfühler anzubieten, der hohe Zu-

Claims

Patentansprüche:

1. Gasfühler, umfassend einen MIS-Feldeffekttransistor, dessen Gateelektrode (5) unter Änderung der Schwellenwertspannung des Transistors das nachzuweisende Gas adsorbiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Gateisolierschicht (4) eine dielektrische Schicht mit einer Dielektrizitätskonstanten größer als 10 ist

2. Gasfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht aus Titandioxid-Magnesiumoxid, Titandioxid oder Bariumtitanat besteht