(57)【要約】      （修正有）【課題】高温環境下で使用できる電界効果トランジスターガスセンサを提供する。【解決手段】流体流中に含まれる物質の検出のための、電界効果トランジスターを含むガスセンサー１０であって、前記電界効果トランジスターは、基板１２と、前記基板上に配置された、ガス暴露可能なゲート電極２２と、ソース電極１８と、ドレイン電極２０と、前記基板１２と前記ゲート電極２２との間に配置された、層システムとして構成された電気的絶縁体２４とを有し、前記層システムの少なくとも１の層２６、２８、３０に、一定の安定化された電荷が導入される。この種のガスセンサー１０は、機械的かつ電気的に安定な電気的絶縁体２４によって、高温でも、特に安定な測定挙動をする。【選択図】図１
2014013239.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界効果トランジスターを含むガスセンサーであって、
前記電界効果トランジスターは、
基板（１２）と、
前記基板上に配置された、ガス暴露可能なゲート電極（２２）と、ソース電極（１８）と、ドレイン電極（２０）と、
前記基板（１２）と前記ゲート電極（２２）との間に配置された、層システムとして構成された電気的絶縁体（２４）とを有し、
前記層システムの少なくとも１の層（２６、２８、３０）に、一定の安定化された電荷が導入されている、ガスセンサー。
【請求項２】
前記層システムの少なくとも１の層（２６、２８、３０）が、一定の結晶度を有する請求項１記載のガスセンサー。
【請求項３】
前記結晶度が、２０％以上〜６０％以下の範囲内に存在する請求項２記載のガスセンサー。
【請求項４】
前記電気的絶縁体（２４）の層システムが、３つの層（２６、２８、３０）を含む請求項１から３のいずれか１項記載のガスセンサー。
【請求項５】
前記層システムの中間層（２８）中に、一定の安定化された電荷が導入されており、かつ、場合によって前記層システムの中間層（２８）が一定の結晶度を有する請求項１から４のいずれか１項記載のガスセンサー。
【請求項６】
少なくとも１の層（２６、２８、３０）が、酸化物、例えば特に酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化スズ、酸化ガドリニウム、酸化セリウム、酸化ランタン、酸化プラセオジム、酸化インジウム、酸化タングステンを含み、かつ／又は、少なくとも１の層（２６、２８、３０）が、混合酸化物、例えば特にジルコニウム−セリウム−酸化物、ガドリニウム−セリウム−酸化物、イットリウム−ジルコニウム−酸化物、イットリウム−ハフニウム−酸化物を含み、かつ／又は、少なくとも１の層（２６、２８、３０）が、ペロフスカイト構造を有する酸化物、特にチタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムを含み、かつ／又は、少なくとも１の層（２６、２８、３０）が、非酸化物セラミック、特に窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化チタン、炭化ケイ素、ケイ化タンタル、ケイ化タングステン、及び／又は、相応するホウ化物、例えばホウ化チタン、ホウ化タンタル、ホウ化ランタン、ホウ化タングステン、を含む請求項１から５のいずれか１項記載のガスセンサー。
【請求項７】
前記基板（１２）に隣接して配置された、層システムの層（２６）が、酸化ケイ素を含み、かつ／又は、前記層システムの中間層（２８）が窒化ケイ素を含み、かつ／又は、前記層システムの外側層（３０）が酸化アルミニウム又は酸化ケイ素を含む、請求項６記載のガスセンサー。
【請求項８】
前記電気的絶縁体（２４）が、５００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下の範囲内にある厚さを有する請求項１から７のいずれか１項記載のガスセンサー。
【請求項９】
前記基板（１２）に隣接して配置された、層システムの層（２６）が、前記基板材料の酸化物を含み、特に、１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下の範囲内にある厚さを有する請求項１から８のいずれか１項記載のガスセンサー。
【請求項１０】
ａ）基板（１２）を準備する方法工程、
ｂ）前記基板（１２）の少なくとも一部の領域に、複数の層（２６、２８、３０）から構成された層システムを有する電気的絶縁体（２４）を設ける方法工程、
ｃ）前記層システムの層（２６、２８、３０）のうちの少なくとも１の層に、安定化した更なる電荷を導入する方法工程、及び
ｄ）前記電気的絶縁体（２４）に導電性層を設ける方法工程
を含む、流体流中に含まれる物質の検出のためのガスセンサー（１０）、特に請求項１から９のいずれか１項記載のガスセンサー（１０）の製造方法。
【請求項１１】
前記層システムの前記層（２６、２８、３０）のうちの少なくとも１の層の少なくとも部分的な結晶化を行う請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも部分的な結晶化を、高められた温度での相応する層（２６、２８、３０）の処理によって行う請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
電荷を、前記少なくとも１の層（２６、２８、３０）への電圧印加によって導入する請求項１０から１２のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の主題は、電界効果トランジスターを含むガスセンサーである。さらに、本発明の主題は、そのようなガスセンサーの製造方法である。
【背景技術】
【０００２】
センサー、例えば化学的ガスセンサーであって、基板、例えば大きいバンドギャップを有する半導体材料を有する基板を備える電界効果トランジスターを基礎とするセンサーは、３００℃以上の範囲内にあることがある高温で頻繁に稼働される。例えば、内燃機関の排ガス経路中に又は排ガス経路に接して配置されていることがあるセンサーでは、そのような温度は大勢を占める。前記センサーの一定温度を可能にすべく、前記センサーを、これら周囲温度を超えてさらに加熱することが頻繁に必要である可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような温度に対するこのようなセンサーの機械的抵抗性や電気的抵抗性の他に、さらに、多様な材料、例えば酸素、水若しくは湿分、酸形成ガス、例えば窒素酸化物又は硫黄酸化物に対する、そして、溶解した物質、例えば金属イオンに対する化学的抵抗性が好ましくあってよい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の主題は、
電界効果トランジスターを含むガスセンサーであって、
前記電界効果トランジスターは、
基板と、
前記基板上に配置された、ガス暴露可能なゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、
前記基板と前記ゲート電極の間に配置された、層システムとして構成された電気的絶縁体とを有し、
前記層システムの少なくとも１の層に、一定の安定化された電荷が導入されている、ガスセンサーである。
【０００５】
この場合に、そのようなガスセンサーは、それ自体知られているように基板を含む電界効果トランジスターを含む。前記基板は、例えば、炭化ケイ素から構成されていてよく、かつ、例えば相応するドーピングによって、その上にソース電極が配置されているソース領域及びその上にドレイン電極が配置されているドレイン領域を有することができる。前記ソース電極と前記ドレイン電極との間には、前記半導体基板のチャネル又は空間電荷領域が、配置されているか又は運転の間に形成されてよい。前記基板の空間電荷領域の上方には、アイソレーター又は電気的絶縁体が配置されていてよく、これによって前記基板又は前記空間電荷領域はゲート電極とは隔てられている。
【０００６】
したがって、電界効果トランジスター又は電界効果ガスセンサーとは、それ自体知られている通り、所定のガス又は所定のガスイオンの吸着の際に電気的に及び物理的に測定可能な値が電場の作用によって変化し得る組立物（Struktur）が特に理解されることができる。前記物理的に測定可能な値は、例えば、２つの接続コンタクト間の電気抵抗、又は、ソースコンタクトとドレインコンタクトとの間の電流、又は、電極層と背後電極（Rueckelektrode）の間で測定可能であってよい容量、であってよい。
【０００７】
特に、背後電極は、ガス感受性電界効果トランジスターのソース領域と、ドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に配置されたチャネル領域とがその中に形成されている半導体基板を通って形成されていてよく、前記チャネル領域又は前記空間電荷領域の少なくとも一部の表面は、前記絶縁体層に隣接している。
【０００８】
そのような一実施態様は、ガスセンサーが、種々の変形においてガス検出のために使用可能であり、それによって、評価ユニットのためにそのつど使用される技術に適合可能であってよい利点を提供する。このことは、再度、半導体基板を基礎とするガス検出器が製造可能であるという利点を提供することができ、その際、種々の評価態様で、種々のガスセンサー態様もまた実現されることができる。ガスセンサーの種々の実施態様もまた種々の種類のガスに関して異なる選択率を有することができ、そのため、ガスセンサーの様々な設計の自由度によって、前記した装置が高い正確性のガス検出のため使用可能であることができる。
【０００９】
この場合に、ゲート電極は、その下にある層と、測定すべきガス流又は前記ガス流中に存在する物質との相互作用を生じさせるために、特に多孔質であってよい。さらに、前記ゲート電極は特にガス暴露可能であり、即ち、測定すべきガス流に直接的にかつ直に曝すことが可能であるか又はこれらと接触されることができる。前記電極又は前記センサーは、例えば凝縮する条件でガス流中に必要とされることがあり得る、流体流又は液体に対しても、少なくとも短期間暴露可能である。
【００１０】
特に、ゲート電極と基板との間の電気的絶縁体又は空間電荷領域は、層システムとして構成されていてよい。この場合に、層システムとは、特に、同じか又は異なる材料の複数の個々の層を意味してよく、これらは特に相互に直に隣接して配置されている。これら層システムは、以下ではゲート積層体とも称される。例えば、場合によって異なる機能を有する複数の層の組合せは、電気的絶縁体を形成できる１つの層システムを生じることがある。この場合に、電気的アイソレーターとして、１×１０Ｅ７Ｏｈｍ*ｃｍより高い比抵抗を有するか又は４ｅＶより高いバンドギャップを有する、前記層システムのうちの少なくとも１の層が使用されることができる。そのような層構造の他の好ましい一実施態様は、例えば、良好な拡散障壁と、良好なアイソレーター及び良好な耐腐食性を有する層、との組み合わせを、可能な限り適した順列でもたらすことができる。
【００１１】
前記層システムの少なくとも１の層においては、この場合に、安定化された一定の電荷が導入されていてよい。
【００１２】
前記装置又はそうして構成されたガスセンサーは特に、電気的絶縁体の、例えば特に前記電界効果トランジスターの活性チャネル領域上に設けられたゲート絶縁体の、構造的安定性及び電気的安定性の改善を、提供することができる。さらに、特に高温でのリーク電流を、減少させることができる。このことは、上記したように、例えば、相応する層材料への又は電気的絶縁体の個々の若しくは全ての層への、狙いを定めた電荷導入又は電荷形成による製造の間の、前記層システム内の前記電気的絶縁体又は前記ゲート絶縁体の個々の層の、狙いを定めた持続的な改変によって特に行われることができる。
【００１３】
詳細には、例えば、前記絶縁体層の１への又は前記層システムの１層の材料への、特に確実な又は安定な電荷挿入が行われることができる。前記層システムは、同じ印加電圧でかつ高められた温度での前記部材の運転で、特に、先行技術からの相応する装置と比較した場合に、高温の場合にも、リーク電流の著しい減少化を可能にする。それというのも、例えば挿入された電荷によって、トンネル電流のために著しく高められた障壁が発生し、それによって、リーク電流の減少を生じることができるからである。
【００１４】
この場合に、特に安定な又は安定化された追加電荷が好ましく、というのも、これらはガスセンサーの長期運転の場合並びに測定の際に発生する過酷な条件（例えば、腐食環境、湿分及び／又は高温）下であっても、層から取り除かれないためであり、それによって、特に信頼できかつ長期安定である測定が可能になる。この場合に、本発明の意味合いにおいて、安定化された電荷の存在は、特に、相応する層への又は前記相応する層の材料への、持続的な電荷導入によって達成されることができる。そうして、前記電荷は、例えば測定方法の間に又は許容しうる高さの印加電圧による運転の間に、前記材料から除去されない。言い換えると、前記電荷は、全ての運転条件下で、相応する層中に安定に残存する。
【００１５】
上記のような電気的特性の改善の他に、前記のように構成された絶縁体層システムを備える装置は、構造における変化も示すことがある。そうして、構造変化を介して、電荷導入は、前記構造が運転の際に安定なままであることを導くことができる。それによって、特に過酷な条件（例えば、腐食環境、湿分及び／又は高温）の影響の場合にあっても、特に長期安定性のかつ信頼性のある測定挙動を可能にすることができる。
【００１６】
その上、前記のような、構造変化によって改変される絶縁体を設けることによって、不所望の物質、例えば測定すべき流体流又はゲート電極からの物質、に対して特に良好な拡散障壁が、作出されることができる。
【００１７】
それ故、特に電気的及び／又は機械的安定性の改善のための電気的絶縁体の改変は、特に好ましくあってよい。というのも、前記絶縁体が複数の機能を引き受けるからである。そのような機能の例は、例えば、本来の電気的絶縁、及び、前記ゲート又は前記ゲート電極の電気的絶縁性材料に対する、並びに、測定すべき流体流（例えば排ガス又は排ガス濃縮物）からの汚染に対する、拡散バリアーの形成、である。そのために、電気的絶縁体は、特に複数の特性、例えば良好な電気的安定性、より少ない不純物密度（Stoerstellendichte）及び基板材料との並びにゲート電極材料との良好な相容性、を示すことができる。さらに、好ましくあってよいのは、高い電圧安定性（Spannungsstabilitaet）、高い破壊強度を高温で、例えば特に５００℃又はそれ以上で、並びに、良好な化学的不活性特性である。電気的絶縁体中にこれら特性を統合するために、多層構造体が上記したように好ましくあってよく、この場合に、個々の又は全体の層が好ましくは改変されていてよい。
【００１８】
それによって、例えば、ゲート絶縁体層自体の安定な絶縁破壊強さ（Durchbruchfeldstaerke）の利点が、増加する温度で提供されることができる。さらに、増加する温度でもリーク電流が低く維持されることができる。
【００１９】
上記した電荷貯蔵の検出は、直接的に、ケルビンプローブフォース顕微鏡といった測定方法によって、又は、間接的に、層厚を考慮した電気的測定及びシミュレーションとの比較といった評価を介して、行うことができる。
【００２０】
一実施態様の範囲内において、前記層システムの少なくとも１の層は、一定の結晶度を有することができる。特に、一定の結晶度によって、構造安定化が特に好ましく可能にされることができる。このことは、特に、一定の予備エイジング工程による一定の結晶度の導入によって、使用条件下でのエイジング後に発生する状態が作り出される場合に、達成可能である。詳細には、例えば、純粋に無定形に析出された酸化アルミニウムでは、搬出（Auslagerung）後に、１０００時間を超えて５００℃で、内燃機関の排ガスに類似する、湿分を有する雰囲気中で、部分結晶化が観察されることができた。このことは、このような装置の実際の使用におけるエイジング挙動に相応し、したがって、使用条件下で根本的に不所望な構造変化を伴い、それによって、電気的特性にも作用することがある。本発明によれば、例えば、既に製造プロセスで結晶化が行われることによって、そのようなエイジング工程が阻止されることができる。詳細には、結晶性形態にある材料を用いても、センサーは好適に働くことができ、しかし、既にその製造の際に、結晶度の高い安定性が生じることがあるため、電気的特性のドリフト、ひいては場合によって必要な前記センサーの後校正もが、エイジング作用としての進行する結晶化によって回避されることができる。それによって、特に安定な測定挙動が可能にされることができる。
【００２１】
この場合に、２０％以上から６０％以下の範囲内の達成される結晶化度が特に好ましくあってよく、というのも、そのような結晶化度は大抵、実際のエイジング挙動に相応するためである。
【００２２】
この場合に、特に、電荷が導入されている同一の層が結晶化されることができるが、しかし或いは、前記層システムの更なる層であってもよい。この場合に、前記層の結晶化度は、この存在する層で直に、構造結像方法、例えば透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）又はレントゲン回折（ＸＲＤ）を用いて検出可能である。
【００２３】
更なる一実施態様の範囲内において、前記電気的絶縁体の層システムは、３つの層を含むか又は３つの層からなってよい。特に、この実施態様において、電気的絶縁体又はその特性の、特別に使用に関連させた適合が、達成されることができる。詳細には、特性、例えば吸収挙動、所定の物質に対する不活性特性、並びに、安定性又は更なる前述の特性は、特に好ましく適合されることができる。この場合に、さらに、電気的絶縁体は、コンパクトに構成されてよく、その上、低コストに製造可能であってよい。したがって、ちょうど３つの層の利点は、可能性のあるうちもっとも単純かつ対称の構造である。外側へ向かって、可能な限り良好な電気的絶縁材料が存在することができる。電荷貯蔵及び／又は結晶化は、正確に１の材料又は１の層中に、例えば特に１の中間層中に存在できる。この場合に、複数の更なる追加材料が断念されることができ、このことは、複雑性及び場合によって必要な適合を減少させることができる。
【００２４】
更なる一実施態様において、前記層システムの中間層中に、一定のかつ安定化された電荷が導入されていてよく、かつ、場合によって前記層システムの中間層が一定の結晶度を有してよい。それ故、この実施態様においては、特に中間層は、電気的絶縁体の電気的特性も機械的特性も改善すべく、狙いを定めて改変されていてよい。それ故、３つの層が存在する場合には中間層が改変されているが、これに対し、３より多くの層が存在する場合には１又は複数の内側層、即ち、外側層でない層が、改変されていてよい。この実施態様においては、外側に向かっている面、即ち、電気的絶縁体の中間でない面が、改変されている必要がない、即ち、ここでは、標準的材料、例えば酸化ケイ素が選択されることができる、という利点が特に達成されることができ、このことは特に、極めて良好に電気的絶縁性の、かつ、可能な限り良好な界面を、半導体に対して又はゲート電極に対して形成することができ、特に、更なる層、例えばゲート電極への又は半導体材料への、良好な付着特性も含めることができる。前記層システムの中間層は、この場合に特に、基板材料に又はゲート電極に直に隣接しておらず、それどころか、前記層システムのうちの２つの更なる層によって取り囲まれている層であってよい。例えば、１つの層システムに３つの層を設置する場合には、中間層は単一の中間層であってよい。３つより多くの層を前記層システムに設置する場合には、前記基板材料に又は前記ゲート電極に直に隣接していない各層が、中間層と考慮されてよく、それ故、１又は複数の中間層である。
【００２５】
更なる一実施態様の範囲において、少なくとも１の層は、酸化物、例えば特に酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ2Ｏ3）、酸化セリウム（ＣｅＯ2）、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）、酸化プラセオジム（Ｐｒ2Ｏ3）、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、酸化タングステン（ＷＯ3）を含むことができ、かつ／又は、少なくとも１の層が、混合酸化物、例えば特に、前述の材料とケイ酸塩の形のケイ素との間の混合酸化物、さらにジルコニウム−セリウム−酸化物（ＺｒxＣｅyＯ2）、ガドリニウム−セリウム−酸化物（ＧｄxＣｅyＯ2）、イットリウム−ジルコニウム−酸化物（ＹxＺｒy-xＯ2）、イットリウム−ハフニウム−酸化物（ＹxＨｆy-xＯ2）［式中、そのつどｘは０．５未満、ｙは０．５超］を含むことができ、かつ／又は、少なくとも１の層が、ペロフスカイト構造を有する酸化物、特にチタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ3）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）を含むことができ、かつ／又は、少なくとも１の層が、非酸化物セラミック、特に窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ケイ化タンタル（ＴａＳｉ）、ケイ化タングステン（ＷＳｉ）、及び／又は、相応するホウ化物、例えばホウ化チタン、ホウ化タンタル、ホウ化ランタン、ホウ化タングステン、を含むことができる。さらに、少なくとも１の層が、１又は複数の前述の材料からなっていてよい。前述の材料からの混合物も存在できることが当業者にとっては明らかである。
【００２６】
外側層のための、ここでは特に、前記層システムのうち前記基板に隣接する層のための好ましい材料は、特に、前記基板の使用される半導体材料にとって適したバンドギャップ又はバンドオフセットを有することができ、例えば、前記基板中の炭化ケイ素の存在にとっては酸化ケイ素又は酸化アルミニウムである。１若しくは複数の内部層又は１若しくは複数の中間層のために好ましい材料は、電荷導入及び電荷貯蔵のために特に好ましく適する材料を含む。そのためには例えば、外側材料よりも小さいバンドギャップを有する材料が適していることができ、さらに、電荷導入の条件又はトラップ分布（Haftstellenverteilung）の調節性は、好ましく処理可能である。特にここでは、例として、窒化ケイ素、又は混合酸化物、例えばハフニウム−ケイ酸塩が適していることができる。
【００２７】
酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化チタン及び／又は非酸化物セラミック、特に窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化チタン、炭化ケイ素、ケイ化タンタル、ケイ化タングステン、及び／又は、相応するホウ化物、特にホウ化ケイ素、ホウ化チタン、ホウ化ランタン、ホウ化タンタル、ホウ化タングステンの存在に関しては、この実施態様は特に、特別高い熱安定性及び特別良好な電気的絶縁能を生じるために、用いられることができる。雰囲気からの又は排ガスからの汚染物質に対する拡散保護層並びに触媒作用する活性金属電極に対する拡散保護層としての機能もまた、極めて良好であると考えられる。
【００２８】
酸化ジルコニウム、酸化スズ、酸化ガドリニウム、酸化セリウム、酸化ランタン及び／又は酸化プラセオジム及び／又は混合酸化物、例えば特にジルコニウム−セリウム−酸化物、ガドリニウム−セリウム−酸化物、イットリウム−ジルコニウム−酸化物及び／又はイットリウム−ハフニウム−酸化物の存在に関しては、この種の実施態様は、特に、酸素、又は、検出のために酸素がゲート積層体の表面に存在しなければならないその他のガスを検出するために、良好な酸素吸着の特性故の、良好な感受性及び／又は選択性が存在できる、という利点を提供できる。
【００２９】
酸化インジウム、酸化スズ、酸化タングステン、酸化ガドリニウム、酸化セリウム、酸化ランタン、酸化プラセオジム、酸化アルミニウム及びペロフスカイト構造を有する酸化物、特にチタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムの存在に関しては、このような実施態様は、特に、これら材料の１若しくは複数を含むか又はこれら材料の１若しくは複数からなる絶縁体層が、窒素酸化物のために特別良好な選択性及び感受性を可能にできる、という利点を提供できる。
【００３０】
この場合に、前述の材料は好適なドーピング材料でドーピングされていてよい。ドーピングによって、例えば、空格子点が前記層の表面又は内部に発生することができる。そのような一実施態様は、使用されるドーピング材料に依存してよい、所定の種類のガスのためのセンサーの感受性をさらにより一層増強できる、という利点を提供できる。適したドーピング材料は、例えば、インジウム（Ｉｎ）、タングステン（Ｗ）、貴金属、例えば金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）及び白金（Ｐｔ）並びに更なる金属、例えば鉄（Ｆｅ）、モリブデン（Ｍｂ）、カルシウム（Ｃａ）及び／又はバリウム（Ｂａ）、を含む。
【００３１】
更なる一実施態様の範囲内において、前記基板に隣接して配置された、層システムの層は、酸化ケイ素を含むことができ、かつ／又は、前記層システムの中間層は、窒化ケイ素を含むことができ、かつ／又は、前記層システムの外側層は、酸化アルミニウム又は酸化ケイ素を含むことができる。
【００３２】
前記基板に隣接して配置された層への酸化ケイ素の設置に関しては、これは特に、製造が特に単純に可能である、という利点を示すことができる。詳細には、特に半導体材料としての炭化ケイ素（特に、大きなバンドギャップを有する、高温に適した半導体材料として好ましくあってよい）では、前記酸化ケイ素層は、前記基板の表面の酸化によって、第１のゲート−絶縁体層を又は前記電気的絶縁体の層システムの第１の層を製造するために、生じさせることができる。それによって、特に、基板又は半導体材料と、電気的絶縁体又は酸化ケイ素との間の界面の少ない不純物密度を、そして更なる好ましい界面特性、例えば少ない界面粗度を、可能にさせることができる。さらに、界面の品質は、酸化のパラメーター、例えば特に温度プロフィール、酸化期間並びにプロセスガス雰囲気の選択によって、簡易に影響されることができ、これらは簡易に互いに調整されることができる。さらに、二酸化ケイ素は、特に大きなバンドオフセットを、例えば炭化ケイ素に対して有する。
【００３３】
前記層システムの中間層への窒化ケイ素の設置に関しては、特に、特別高い熱的電気的安定性及び特別良好な電気的絶縁能が生じさせられてよい。雰囲気からの又は測定すべき流体流、例えば排ガスの汚染物質に対する拡散保護層並びに触媒作用する活性金属性ゲート電極に対する拡散保護層もまた、極めて安定である。
【００３４】
積層体の外側層への酸化アルミニウム又は酸化ケイ素の設置に関しては、窒素酸化物への特別良好な選択性及び感受性が特に可能にされることができる。このことは、当業者には明らかである通り、特に、例えば排ガスセンサーとしての窒素酸化物センサーのために、好ましくあってよい。さらに、特別高い熱安定性及び特別良好な電気的絶縁能が可能にされることができる。これら層もまた、測定すべき流体流からの汚染物質に対する拡散保護層並びに触媒作用する活性ゲート電極に対する拡散保護層として、極めて安定である。前記層システムの外側層は、この場合に特に、前記基板と間隔をあけた側に存在する層、又はゲート電極に隣接する層、特にゲート電極に直に隣接する層、であってよい。
【００３５】
更なる一実施態様の範囲において、前記電気的絶縁体は、５００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下の範囲内にある厚さを有することができる。前記電気的絶縁体の層システム全体のそのような厚さによって、特別に信頼があり、かつ、感受性のある、センサー測定挙動が、この実施態様において生じさせられることができる。それというのも、半導体基板とは間隔をあけた側での測定経過で存在しえる電場の影響は、チャネル又は空間電荷領域に対して好適に存在することができるか又は強過ぎないで減衰されるからである。
【００３６】
更なる一実施態様の範囲において、前記基板に隣接して配置された、層システムのうちの１層は、前記基板材料の酸化物を含むことができ、特に１００ｎｍ以下の範囲内、好ましくは５０ｎｍ以下の範囲内にある厚さを有することができる。この一実施態様において、半導体材料、例えば特に炭化ケイ素と、電気的絶縁体の第１の層、例えば特に二酸化ケイ素との間にある界面の、特に高い品質が生じさせられることができる。特に、前記第１の絶縁体層が半導体材料の酸化によって行われるか又は生じさせられる場合には、この界面の品質は、酸化物層の増加する厚さと共に減少することがある。この場合に、１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下の範囲への、酸化物層、例えば特に酸化ケイ素層の厚さの減少は、十分な絶縁特性を提供することができるが、しかしこの場合に、特に少ない不純物濃度を有する、品質的に高価値の界面が可能になる。
【００３７】
本発明のガスセンサーの更なる利点及び技術的特徴に関しては、本願では明示的に、本発明の方法に関連した説明、図面並びに図面の説明が参照される。
【００３８】
本発明の主題は、さらに、
ａ）基板を準備する方法工程、
ｂ）前記基板の少なくとも一部の領域に、複数の層からの層システムを有する電気的絶縁体を設ける方法工程、
ｃ）前記層システムの層のうちの少なくとも１層に、更なる電荷を導入する方法工程、及び
ｄ）前記電気的絶縁体に導電性層を設ける方法工程
を含む、流体流中に含まれる物質の検出のためのガスセンサー、特に前述のガスセンサー、の製造方法である。
【００３９】
そのような方法によって、流体流中に含まれる物質の検出のためのガスセンサーが、特に簡易に提供される。
【００４０】
その場合に、第１の方法工程ａ）では基板が準備される。前記基板は、それ自体知られているように、半導体材料、例えば特に炭化ケイ素から構成されていてよい。この場合に、基板は、ソース領域と、ソース領域とは間隔をあけて同じ表面に存在するドレイン領域とを有してよく、それらの上には、それ自体知られている方法によって導電性層がソース電極として又はドレイン電極として配置されている。この場合に、ソース領域又はドレイン領域は、例えば基板材料としてのシリコン又は炭化ケイ素では、空間分解注入方法を用いて、又は、シリコンでは、相応するドーピングを用いて熱拡散方法によって、構成されていることができる。特に、ソース領域及びドレイン領域は、ｎ＋ドーピングによって生じさせられることができる。それに対して、前記基板はｐ−ドーピングを有することができ、例えばこれは特に電界効果トランジスターのために知られている通りである。
【００４１】
更なる方法工程ｂ）において、さらに、電気的絶縁体が基板上に設けられることができる。特に、前記電気的絶縁体は、少なくとも、ソース領域及びドレイン領域とオーバーラップする部分領域上に、設けられることができる。この場合に、電気的絶縁体は、複数の層からの層システムを有することができる。
【００４２】
例えば、電気的絶縁体の第１の層は、 前記基板の半導体材料の酸化によって生じさせられることができる。特に、炭化ケイ素は酸化して酸化ケイ素とすることができ、この場合に、好ましくは５０ｎｍ以下の厚さを有する酸化ケイ素層が生じる。
【００４３】
更なる層は、例えば、半導体プロセスにおいて通常の方法によって生じさせられるか又は析出されることができる。適した方法は、例えば、物理的堆積方法、例えばＰＶＤ方法、マグネトスパッタリング又は化学的堆積方法、例えば化学蒸着析出（ＣＶＤ）又は原子層堆積（ＡＬＤ）を含む。
【００４４】
電気的絶縁体の層システムの絶縁層のための適した材料は、この場合に、酸化物、特に酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化スズ、酸化ガドリニウム、酸化セリウム、酸化ランタン、酸化プラセオジム、酸化インジウム、酸化タングステン、混合酸化物、例えば特にジルコニウム−セリウム−酸化物、ガドリニウム−セリウム−酸化物、イットリウム−ジルコニウム−酸化物、イットリウム−ハフニウム−酸化物、ペロフスカイト構造を有する酸化物、特にチタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、非酸化物セラミック、特に窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化チタン、炭化ケイ素、ケイ化タンタル、ケイ化タングステン、及び／又は、相応するホウ化物、例えばホウ化ケイ素、ホウ化チタン、ホウ化タンタル、ホウ化ランタン、ホウ化タングステン、を含む。
【００４５】
更なる方法工程において、本発明によれば、更なる安定化された電荷が、層システムの少なくとも１の層に導入されることができる。この方法工程は、相応する層の設置のプロセス処理に組み込まれていてよい。例えば、これは、相応する析出方法又は適した析出パラメーターの適した選択によって、特にプロセス処理の際の又はその後の温度処理によって、或いは、適した条件下での前記プロセス処理後の電圧印加によって、行うことができる。Ｓｉ3Ｎ4の析出では、例えば、３００〜４００℃の温度で進行できる、プラズマ支援された化学的気相析出（ＰＥＣＶＤ）又は６００〜８００℃の温度範囲内でのＬＰＣＶＤ（低圧方法）、が選択されてよい。温度処理工程として、例えば、いわゆるラピッドサーマルアニール方法（ＲＴＡ）が考慮され、これは例えばＳｉ3Ｎ4では、例えば１０００℃／分の勾配及び２分間の維持時間で１０００℃で作業される。理想的には、この場合に、プロセス処理の間に他の目的のために必要な温度処理工程、例えばフィールド酸化物の又はパッシベーションの温度処理（アニール）が、又は、ＳｉＣ半導体では注入の活性化又はコンタクトの合金化（Einlegieren）を、ゲート積層体材料の変性のために利用することができる。多層状層システムのうちの１層への電気的荷電の電気的刻印（elektrische Einpraegen）は、室温で又は約６００℃までの高められた温度で行うことができる。この場合に電圧は、相応する電場、例えば５ＭＶ／ｃｍの場によって、トンネル電流がゲート積層体を通って発生して、前記トンネル電流を通じて電荷がゲート積層体へと、特に前記ゲート積層体の電荷吸収（部分）層へと、導入されることができるように、選択されなければならない。典型的な電流は、この場合に、１０Ｅ−６Ａ／ｃｍ2未満の範囲内にある。
【００４６】
全体として、例えば、相応する材料層の酸化又は堆積の際にはパラメーターの選択によって、特に、定義されたガス雰囲気中での熱後処理工程によって、個々の層の電気的絶縁特性、構造的安定性、拡散抵抗性、ひいては、絶縁体層それ自体の相応する特性は、調節されることができる。
【００４７】
最後の方法工程ｄ）においては、電気的絶縁体の上に、導電性層が設けられることができる。導電性層は、以下では、特にゲート電極として利用されることができる。ゲート電極は、ドレイン電極又はソース電極と同様に、特に、白金、パラジウム、ロジウム、レニウム、ルテニウム、金、銀及び／又はクロムからなる群から選択されている材料を含むことができる。さらに、この導電性層は、ドレイン電極又はソース電極の相応する導電性層と同様に、特に、物理的方法、例えば蒸着又はスパッタリング方法によって、又は、懸濁液からの粒子の析出によって、設けられることができる。
【００４８】
一実施態様の範囲において、前記層システムの層のうちの少なくとも１の少なくとも部分的な結晶化が行われることができる。この場合に、特に、相応する材料、例えば酸化アルミニウム層の処理の場合に、完全な結晶化が実施されないことが好ましくあってよい。それによって、相応する層中の連続した粒界の発生、ひいては、例えばアルカリ金属イオンのそれに沿った迅速な拡散が、抑制されることができる。好ましくは、典型的には、前記層厚の１０％以上から５０％以下の個々の結晶性領域の直径を有する約２０％〜６０％の結晶化度にまでの結晶化が、実施されることができる。このことは、例えば、ＡＬＤ法からの無定形酸化アルミニウムでは、例えば１０ｎｍ以上から５０ｎｍ以下までの層厚で温度処理工程を通じて達成されることができ、その場合には、例えば２〜５分間にわたり９００℃〜１２００℃の温度が達成されることができる。より高温では、この時間は、相応してより短く選択することができる。反応性ガス、例えば酸素又は湿分の存在は、結晶化を高温で顕著に促進できるか、又は、結晶化を顕著により低温で可能にさせることができる。そして、無定形に析出した酸化アルミニウムでの部分的結晶化は、湿った空気中への搬出の場合にも、数百時間にわたって７００℃未満の温度で行われることができる。
【００４９】
結晶化の前記例のために、したがって、これらは、高められた温度下での相応する層の処理によって行われることができる。特に、前記層は、６００℃以上から１２００℃以下の温度範囲内の前記層の処理によって行われることができる。例えば、ここでは、複数時間のプロセス時間が、例えば２時間〜１００時間の範囲内において使用されることができる。さらに、この工程は、酸素及び／又は湿分の作用下で実施されることができる。この場合に、この処理は、結晶化又は構造安定化のみが進行するが、ゲート絶縁材料以外の他の材料での不所望な酸化プロセスが進行しないように選択されることが望ましい。
【００５０】
更なる一実施態様の範囲において、少なくとも１の層への電荷の導入又は形成は、或いは特に電子の導入は、少なくとも１の層での電圧印加によって行われることができる。この実施態様において、電荷は、トンネル電流の発生によって安定化されて、相応する層へと導入されることができる。この実施態様において、電荷の導入は特別に定義されて、この場合にコスト安価に行われることができる。さらに、予め定めた運転条件での後続の運転で稼働され、さらに過電圧が存在しない場合には、これら電荷が全ての運転条件下で持続的に維持されたままである。
【００５１】
本発明の方法の更なる利点及び技術的特徴に関しては、本願では明示的に、本発明のガスセンサーに関連した説明、図面並びに図面の説明が参照にされる。
【００５２】
図面及び実施例
本発明の主題の更なる利点及び好ましい実施態様は、以下の図によって詳説され、以下の詳細な説明で説明される。この場合に、これら図が説明する性質のみを有し、本発明を如何なる形態にも限定すべきものと考慮されてはならないことに留意すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１は、流体流中に含まれる物質の検出のための本発明のガスセンサーの一実施態様の図示である。
【図２】図２は、先行技術に応じた電気的絶縁体の、酸化物−窒化物−酸化物−積層体を備えるセンサーのためのバンド線図を図示する線図である。
【図３】図３は、本発明に応じた電気的絶縁体の、酸化物−窒化物−酸化物−積層体を備えるセンサーのためのバンド線図を図示する線図である。
【図４】図４は、先行技術に応じた及び本発明に応じた電気的絶縁体を通る電流密度の比較を図示する線図である。
【００５４】
図１には、ガス流中に含まれている物質の検出のための本発明のガスセンサー１０の一実施態様が図示されている。そのような装置１０は、特に、ガスセンサーとして、例えば内燃機関の排ガス経路で使用される。具体的な適用において、装置１０は、自動車の排ガス経路中の窒素酸化物センサーとして使用されることができる。
【００５５】
ガスセンサー１０は、この場合特に、化学的感受性の電界効果トランジスターを含む。詳細には、特に半導体材料から構成されている、基板１２が設けられている。好ましくは、基板１２は、炭化ケイ素から構成されていてよい。更なる限定しない例は、例えばシリコン、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含み、この構造は、特にＧａＮベースのトランジスターの使用の場合には、原則的に異なっていてよく、すなわち、特に、知られている通り、ゲート電極によってゲート下で三次元的に小さい層中の「二次元電子ガス」が制御されることによって異なっていてよい。
【００５６】
相応するドーピングの挿入によって、基板１２は、ソース領域１４及びドレイン領域１６を含み、その上に、相応する接続又は相応する電極、特にソース電極１８及びドレイン電極２０が配置されている。
【００５７】
さらに、基板１２上には、特に多孔質かつガス暴露可能なゲート電極２２が配置されている。この場合に、基板１２とゲート電極２２との間には、電気的絶縁体２４が配置されている。この場合に、ゲート電極２２の多孔性によって、電極とコンタクトするガス種が、電気的絶縁体表面に対する直接到達を示し、かつ、これらと相互作用することができる。
【００５８】
この場合に、電気的絶縁体２４は、層システムとして構成されている。例えば、前記層システムは、３つの層を含むことができる。前記層のための適した材料は、例えば、酸化物、例えば特に酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化スズ、酸化ガドリニウム、酸化セリウム、酸化ランタン、酸化プラセオジム、酸化インジウム、酸化タングステン、酸化混合物、例えば特にジルコニウム−セリウム−酸化物、ガドリニウム−セリウム−酸化物、イットリウム−ジルコニウム−酸化物、イットリウム−ハフニウム−酸化物、ペロフスカイト構造を有する酸化物、特にチタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、非酸化物セラミック、特に窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化チタン、炭化ケイ素、ケイ化タンタル、ケイ化タングステン、及び／又は、相応するホウ化物、例えばホウ化チタン、ホウ化タンタル、ホウ化ランタン、ホウ化タングステンを含む。
【００５９】
一実施態様において、基板１２、例えば炭化ケイ素基板に隣接して配置されている、電気的絶縁体２４の層システムの層２６は、酸化ケイ素を、例えば１０ｎｍの厚さにおいて含むことができ、かつ、前記炭化ケイ素の酸化によって生じさせられる。この場合に、中間層２８は、約３０ｎｍの厚さにある窒化ケイ素を含むことができる。さらに、外側の、ゲート電極２２に隣接する層３０は、同様に約３０ｎｍの厚さにある酸化アルミニウムを含むことができる。
【００６０】
更なる一実施態様において、基板１２、例えば炭化ケイ素基板に隣接して配置されている、電気的絶縁体２４の層システムの層２６は、酸化ケイ素を、例えば２０ｎｍの厚さにおいて含むことができ、かつ、前記炭化ケイ素の酸化によって生じさせられる。この場合に、中間層２８は、約３０ｎｍの厚さにある窒化ケイ素を含むことができる。さらに、外側の、ゲート電極２２に隣接する層３０は、同様に約３０ｎｍの厚さにある酸化ケイ素を含むことができる。
【００６１】
根本的に、２６、２８、３０の全層を含む電気的絶縁体２４は、１００ｎｍ以下の範囲内にある厚さを示すことができる。この場合に、基板１２に隣接して配置された、層システムの層２６、例えば特に、前記酸化ケイ素含有層は、５０ｎｍ以下の範囲内にある厚さを有することができる。さらに、更なる層２８、３０は、１０ｎｍ以上の範囲内にあることができる。
【００６２】
さらに、ソース領域１４とドレイン領域１６との間には、空間電荷領域３２又はチャネルが設けられているか、又は、これらはゲート電極２２での電圧印加によって形成されている。詳細には、ソース領域１４とドレイン領域１６との間に存在する、基板１２の材料の空間電荷領域３２が形成されるか又は変化する。類似して、荷電したイオンがゲート電極２２に付加して、それによってゲート電極２２での電圧増加が引き起こされる場合があり得る。
【００６３】
機械的に特に安定な電気的絶縁体２４を生じさせるために、かつ、同時に特に良好な電気的絶縁性の機能を、特にリーク電流回避のために可能にさせるために、層システムのうちの少なくとも１の層２６、２８、３０に一定の電荷が導入されている。このことは、例えば、電圧印加によって及びトンネル電流の形成によって、実現されることができる。さらに、電気的絶縁体２４の層システムのうちの層２６、２８、３０の少なくとも１は、定義された増加した結晶度又は定義された結晶化度を有することができる。
【００６４】
そのような安定化によって、特に好ましく測定が可能になるか又は前記センサーの運転が５００℃まで又はそれより高い温度範囲で可能になることができ、その場合に、増加する温度で、リーク電流の増加又は機械的安定性の制限が懸念される必要はない。それによって、例えば高温でも、発生する測定シグナルのドリフトはエイジング効果によって妨げられることができ、このことは特に信頼性のあるかつ長期安定性の測定を可能にする。
【００６５】
１又は複数の層２６、２８、３０、例えば中間層２８及び／又は外側層３０、の安定化、は、例えば、人工的なエイジングプロセスによって行われることができる。これは、例えば、１又は複数の層２６、２８、３０の狙いを定めた結晶化によって行うことができる。
【００６６】
この場合に、結晶化は、例えば６００℃以上から１２００℃以下の温度で、典型的には数時間のプロセス時間でもって、酸素含有雰囲気中で、湿分の影響下で行われることができる。そのような処理は、例えば酸化アルミニウム層の結晶化を導く。この場合に、相応する雰囲気は、簡易に製造可能であってよく、例えば、これは、酸化ケイ素を製造するための湿分酸化工程での雰囲気に相応する。この場合に、多層絶縁体層を備える炭化ケイ素の場合には、確かに、炭化ケイ素の酸化は発生しないが、ゲート積層体の構造安定化は発生する。
【００６７】
例えば、結晶化又は人工エイジングプロセスは、温度経過、例えばいわゆるラピッドサーマルアニーリングによって、例えば不活性ガス、例えばアルゴン中で行われることができる。この場合に、例えば、１秒あたり２０℃の範囲内にあることができ、かつこの場合に更に、２分間の維持時間及び更に、９００℃以上から１２００℃以下までの温度範囲にある温度を有することができる、加熱勾配又は冷却勾配が使用されることができる。そのようなやり方（Prozession）の利点は、特に、酸化物層の熱処理が電界効果トランジスターの製造の際のコンタクトの合金化と一緒に行うことができる場合に、調整されることができる。この場合に例えば、各温度処理工程が半導体基板のための負荷（Belastung）をも作成できるために追加工程を断念できることに利点があると見ることができる。
【００６８】
前述の方法を支持して、個々の層２６、２８、３０又は特に電荷導入によって改変された層２６、２８、３０の層厚は、典型的な運転条件下で、層中に貯蔵された電荷担体の変化が発生しないように選択されることができる。特に、三層構造で選択される、外側層３０の層厚は、中間層２８中に導入される電荷のトンネルが、全ての後の運転条件下で達成されないように選択されることが望ましく、その際、これは特に、温度及び電圧又はそれらから外側絶縁層３０中で発生する電場に関する。そのために適した層厚はおおよそ、約１０ｎｍ以上から約１００ｎｍ以下の範囲を含む。
【００６９】
前記した装置では又はそのような電界効果トランジスターとして構成されたガスセンサー１０では、ガス種類と、例えば特にゲート電極２２との相互作用によって、電気的絶縁体２４と相互作用して、そして、検出された種に依存して、空間電荷領域３２中の電荷担体濃度が変更されることがあり、そのため、ガスの存在は、チャネル電流の変化に基づいて認識されることができる。
【００７０】
特に、前記した装置の製造プロセスで追加的な電荷担体が電気的絶縁体２４の１又は複数の層２６、２８、３０に導入されている場合には、測定方法は好適に変更されることができ、それによって、導入される電荷はこの時間にわたり変更されないか又は実質的に変更されない。したがって、このことは特に、ガスセンサー１０の長期間運転の際に有用であってよい。そのような方法では、ゲート電極２２での電圧は制限され、そして、高温でゲート領域上に電圧が印加される時間が可能な限り短く維持されることができる。このことは、例えば、センサーの断続的運転によって可能になることができる。この場合に、特に、複数のガスセンサー１０又は複数の電界効果トランジスターが、上記のように、並列して接続されることができる。この場合に、そのつど１の電界効果トランジスターにゲート電圧が相応する作業点で印加されることができ、それに対して、更なる電界効果トランジスターに阻止電圧（Sperrspannung）が印加されている。したがって、そのつど１個のみの個々の電界効果トランジスターが、測定シグナルを提供できるように運転される。相応する電界効果トランジスターのシグナルの選択は、この場合に、例えば統合した切換を用いた、相応するゲートポテンシャルの印加によってチャネルの狙いを定めた遮断によって行われることができる。
【００７１】
図２には、先行技術に応じた、電気的絶縁体２４のための層システムとしての酸化物−窒化物−酸化物−積層体を有する例示的なガスセンサー１０のためのバンド線図のシミュレーションを図示した例が示されている。詳細には、フェルミエネルギーがラインＣとして示されており、これに関して価電子帯がラインＢとして、そして、伝導性バンドがラインＡとして示されている。ｘ軸は、この場合に、ナノメーター（ｎｍ）での、基板１２（炭化ケイ素（ｎ−４Ｈ−ＳｉＣ）で構成されている）で開始する個々の層の深さ又は厚さＤを示している。前記基板に隣接して、二酸化ケイ素から構成されている第１の絶縁体層３４が配置されており、その後に窒化ケイ素から構成されている更なる絶縁体層３６が続き、このシミュレーションにおいて二酸化ケイ素から構成されている更なる絶縁体層３８が続く。前記外側絶縁体層３８に隣接して、ゲート電極４０（この場合に、チタンから構成されている）が設けられている。Ｙ軸はさらに、電子ボルト（ｅＶ）でのバンドエネルギーＥを示す。そのような層システムは先行技術に相応し、というのも、本発明によって改変された層が電気的絶縁体２４中に存在しないからである。
【００７２】
この場合に、図２に記載のセンサーのためのバンド線図のシミュレーションは、電界効果トランジスターの運転における状態を示し、その際、５Ｖの例示的な電圧がゲート電極４０と絶縁体の下に配置されているチャネルとの間に印加されており、このことはポテンシャル差及び電場を電気的絶縁体の層システムに対して横切って生じさせる。図２からは、基板１２又は半導体材料からのゲート電極４０の金属への障壁高さが５ｅＶ未満の範囲にあることを認識することができる。
【００７３】
比較として、図３には、本発明に応じたガスセンサー１０のシミュレーションの一例を図示してある。根本的に、図３に応じたｘ軸は、同様に、ナノメーター（ｎｍ）での、基板１２（炭化ケイ素（ｎ−４Ｈ−ＳｉＣ）で構成されている）で開始する個々の層の深さ又は厚さＤを示している。前記基板１２に隣接して、二酸化ケイ素から構成されている第１の絶縁体層２６が配置されており、その後に窒化ケイ素から構成されている更なる絶縁体層２８が続き、このシミュレーションにおいて二酸化ケイ素から構成されている更なる絶縁体層３０が続く。前記外側絶縁体層３０に隣接して、ゲート電極２２（この場合に、チタンから構成されている）が設けられている。Ｙ軸はさらに、電子ボルト（ｅＶ）でのバンドエネルギーＥを示す。
【００７４】
そのような装置では、窒化ケイ素層である中間層２８中に、更なる安定化した電荷が均一に導入されている。詳細には、この層中には、電荷が５×１０18ｃｍ-3の量で貯蔵されている。
【００７５】
図３に記載のそのような本発明のセンサーのためのバンド線図のシミュレーションは、この場合に、電界効果トランジスターの運転における状態を示し、その際、５Ｖの電圧がゲート電極２２と絶縁体の下に配置されているチャネルとの間に印加されており、このことはポテンシャル差及び電場を電気的絶縁体の層システムに対して横切って生じさせる。図３からは、基板１２又は半導体材料からのゲート電極２２の金属への障壁高さが８ｅＶ超の範囲にあることを認識することができる。バンドのシフトによるそのような障壁増加は、矢印４２によって示唆されている。根本的に、大きなバンドギャップを有する半導体での可能な限り高い障壁の実現化は好ましい。アイソレーターと半導体との間の、選択された絶縁材料によって決定された好適なバンドオフセットによって、良好な絶縁特性が調節される。
【００７６】
絶縁体層又は電気的絶縁体２４を通して、特に、絶縁積層体を通じた電子のファウラー−ノルトハイムトンネルによって生じさせられることができる、相応して刺激された電流密度が、図４に示されている。本発明のガスセンサー１０のシミュレーションはラインＤに相応し、先行技術に相応する素子のシミュレーションをラインＥが示す。ラインＦは、本発明に応じて改変された素子の実際に測定した値を示す。この場合に、ｘ軸は、［ＭＶ／ｃｍ］での有効電界強度を示し、それに対して、Ｙ軸は［Ａ／ｃｍ2］での電流密度Ｊを示す。
【００７７】
図４からは、電流流れ又は電流密度Ｊが、積層体へと又は電気的絶縁体２４の層へと導入された電荷によって、即ち、本発明のゲート積層体では、電流の同じ総量（Betrag）で、著しくより高い場にシフトされていることが明らかである。そのことから、相応する材料への電荷導入による本発明の改変なしの同じ層構造では、より高温で既に破壊するだろうこと、即ち、適した絶縁がもはや提供されないだろうこと、が明らかである。
【００７８】
本発明の態様
１．  電界効果トランジスターを含むガスセンサーであって、
前記電界効果トランジスターは、
基板と、
前記基板上に配置された、ガス暴露可能なゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、
前記基板と前記ゲート電極との間に配置された、層システムとして構成された電気的絶縁体とを有し、
前記層システムの少なくとも１の層に、一定の安定化された電荷が導入されている、ガスセンサー。
２．  前記層システムの少なくとも１の層が、一定の結晶度を有する１記載のガスセンサー。
３．  前記結晶度が、２０％以上〜６０％以下の範囲内に存在する２記載のガスセンサー。
４．  前記電気的絶縁体の層システムが、３つの層を含む１から３のいずれか１項記載のガスセンサー。
５．  前記層システムの中間層中に、一定の安定化された電荷が導入されており、かつ、場合によって前記層システムの中間層が一定の結晶度を有する１から４のいずれか１項記載のガスセンサー。
６．  少なくとも１の層が、酸化物、例えば特に酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化スズ、酸化ガドリニウム、酸化セリウム、酸化ランタン、酸化プラセオジム、酸化インジウム、酸化タングステンを含み、かつ／又は、少なくとも１の層が、混合酸化物、例えば特にジルコニウム−セリウム−酸化物、ガドリニウム−セリウム−酸化物、イットリウム−ジルコニウム−酸化物、イットリウム−ハフニウム−酸化物を含み、かつ／又は、少なくとも１の層が、ペロフスカイト構造を有する酸化物、特にチタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムを含み、かつ／又は、少なくとも１の層が、非酸化物セラミック、特に窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化チタン、炭化ケイ素、ケイ化タンタル、ケイ化タングステン、及び／又は、相応するホウ化物、例えばホウ化チタン、ホウ化タンタル、ホウ化ランタン、ホウ化タングステン、を含む１から５のいずれか１項記載のガスセンサー。
７．  前記基板に隣接して配置された、層システムの層が、酸化ケイ素を含み、かつ／又は、前記層システムの中間層が窒化ケイ素を含み、かつ／又は、前記層システムの外側層が酸化アルミニウム又は酸化ケイ素を含む、６記載のガスセンサー。
８．  前記電気的絶縁体が、５００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下の範囲内にある厚さを有する１から７のいずれか１項記載のガスセンサー。
９．  前記基板に隣接して配置された、層システムの層が、前記基板材料の酸化物を含み、特に、１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下の範囲内にある厚さを有する１から８のいずれか１項記載のガスセンサー。
１０．  ａ）基板を準備する方法工程、
ｂ）前記基板の少なくとも一部の領域に、複数の層から構成された層システムを有する電気的絶縁体を設ける方法工程、
ｃ）前記層システムの層のうちの少なくとも１の層に、安定化した更なる電荷を導入する方法工程、及び
ｄ）前記電気的絶縁体に導電性層を設ける方法工程
を含む、流体流中に含まれる物質の検出のためのガスセンサー、特に１から９のいずれか１項記載のガスセンサーの製造方法。
１１．  前記層システムの前記層のうちの少なくとも１の層の少なくとも部分的な結晶化を行う１０記載の方法。
１２．  少なくとも部分的な結晶化を、高められた温度での相応する層の処理によって行う１１記載の方法。
１３．  電荷を、前記少なくとも１の層への電圧印加によって導入する１０から１２のいずれか１項記載の方法。
【図１】
2014013239.tif 000003
【図２】
2014013239.tif 000004
【図３】
2014013239.tif 000005
【図４】
2014013239.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成25年8月16日(2013.8.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界効果トランジスターを含むガスセンサーであって、
前記電界効果トランジスターは、
基板（１２）と、
前記基板上に配置された、ガス暴露可能なゲート電極（２２）と、ソース電極（１８）と、ドレイン電極（２０）と、
前記基板（１２）と前記ゲート電極（２２）との間に配置された、層システムとして構成された電気的絶縁体（２４）とを有し、
前記層システムの少なくとも１の層に、安定化された電荷が導入されている、ガスセンサー。
【請求項２】
前記層システムの少なくとも１の層が、２０％以上６０％以下の範囲内の結晶度を有する請求項１記載のガスセンサー。
【請求項３】
前記電気的絶縁体（２４）の層システムが、内側層、中間層及び外側層の３つの層（２６、２８、３０）を含む請求項１又は２記載のガスセンサー。
【請求項４】
前記層システムの中間層中に、安定化された電荷が導入されている、請求項３記載のガスセンサー。
【請求項５】
前記層システムの中間層が２０％以上６０％以下の範囲内の結晶度を有する請求項４記載のガスセンサー。
【請求項６】
前記層システムの少なくとも１の層が、酸化物、混合酸化物、ペロフスカイト構造を有する酸化物、非酸化物セラミック、及び／又は相応するホウ化物、を含む請求項１から５のいずれか１項記載のガスセンサー。
【請求項７】
前記酸化物が、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化スズ、酸化ガドリニウム、酸化セリウム、酸化ランタン、酸化プラセオジム、酸化インジウム及び酸化タングステンからなる群から選択されており、
前記混合酸化物が、ジルコニウム−セリウム−酸化物、ガドリニウム−セリウム−酸化物、イットリウム−ジルコニウム−酸化物及びイットリウム−ハフニウム−酸化物からなる群から選択されており、
前記ペロフスカイト構造を有する酸化物が、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム及びチタン酸ストロンチウムからなる群から選択されており、
前記非酸化物セラミックが、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化チタン、炭化ケイ素、ケイ化タンタル及びケイ化タングステンからなる群から選択されており、
前記相応するホウ化物が、ホウ化チタン、ホウ化タンタル、ホウ化ランタン及びホウ化タングステンからなる群から選択されている、請求項６記載のガスセンサー。
【請求項８】
前記基板（１２）に隣接して配置された、前記層システムの内側層（２６）が、酸化ケイ素を含み、かつ／又は、前記層システムの中間層（２８）が窒化ケイ素を含み、かつ／又は、前記層システムの外側層（３０）が酸化アルミニウム又は酸化ケイ素を含む、請求項３記載のガスセンサー。
【請求項９】
前記電気的絶縁体（２４）が、５００ｎｍ以下の範囲内にある厚さを有する請求項１から８のいずれか１項記載のガスセンサー。
【請求項１０】
前記厚さが、１００ｎｍ以下の範囲内にある請求項９記載のガスセンサー。
【請求項１１】
前記基板（１２）に隣接して配置された、前記層システムの内側層（２６）が、前記基板材料の酸化物を含む、請求項３又は８記載のガスセンサー。
【請求項１２】
前記基板（１２）に隣接して配置された、前記層システムの内側層（２６）が、１００ｎｍ以下の範囲内にある厚さを有する請求項１１記載のガスセンサー。
【請求項１３】
前記厚さが、５０ｎｍ以下の範囲内にある請求項１２記載のガスセンサー。
【請求項１４】
ａ）基板（１２）を準備する方法工程、
ｂ）前記基板（１２）の少なくとも一部の領域に、複数の層から構成された層システムを有する電気的絶縁体（２４）を設ける方法工程、
ｃ）前記層システムの層のうちの少なくとも１の層に、安定化した更なる電荷を導入する方法工程、及び
ｄ）前記電気的絶縁体（２４）に導電性層を設ける方法工程
を含む、流体流中に含まれる物質の検出のための請求項１から１３のいずれか１項記載のガスセンサー（１０）の製造方法。
【請求項１５】
前記層システムの前記層のうちの少なくとも１の層の少なくとも部分的な結晶化を行う請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
少なくとも部分的な結晶化を、６００℃以上から１２００℃以下の温度範囲での相応する層の処理によって行う請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
電荷を、前記少なくとも１の層への電圧印加によって導入する請求項１４から１６のいずれか１項記載の方法。