DE102014215492A1

DE102014215492A1 - Sensor zum Erfassen zumindest einer chemischen Spezies und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102014215492A1
Application number: DE102014215492.8A
Authority: DE
Inventors: Frederik ANTE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-08-06
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2016-02-11
Also published as: WO2016020240A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (100) zum Erfassen zumindest einer chemischen Spezies (102), wobei der Sensor (100) eine kapazitive Struktur (104), eine elektrisch isolierende Isolierschicht (106) und eine selbstorganisierende Monolage (108) aufweist. Die kapazitive Struktur (104) ist dazu ausgebildet, eine Kapazität der Struktur (104) in einem elektrischen Kapazitätssignal (110) abzubilden. Die Isolierschicht (106) ist auf der Struktur (104) angeordnet. Die selbstorganisierende Monolage (108) ist auf der Isolierschicht (106) angeordnet. Die Monolage (108) ist aus Molekülen (112) aufgebaut, die an einem ersten Ende (114) mittels einer stabilen Verbindung mit der Isolierschicht (106) verbunden sind und an einem gegenüberliegenden zweiten Ende (116) dazu ausgebildet sind, eine Verbindung mit der Spezies (102) einzugehen.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zum Erfassen zumindest einer chemischen Spezies, auf ein Fluid zum Ausbilden einer selbstorganisierenden Monolage sowie auf ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors.
Um eine Konzentration einer chemischen Spezies in einem elektrischen Signal abbilden zu können, kann beispielsweise ein resistiver Ansatz gewählt werden. Dabei ändert sich ein elektrischer Widerstand eines Leiters, wenn sich die Konzentration der Spezies ändert.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Sensor zum Erfassen zumindest einer chemischen Spezies, ein Fluid zum Ausbilden einer selbstorganisierenden Monolage sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Eine Konzentration einer chemischen Spezies kann in einem elektrischen Signal durch einen kapazitiven Ansatz abgebildet werden. Dabei wird ausgenutzt, dass Moleküle und/oder Atome der Spezies Bindungen mit einer Sensoroberfläche eingehen können und damit über eine resultierende Ladungsverschiebung an der Sensoroberfläche ein elektrisches Feld der Sensoroberfläche verändert wird. Diese Änderung des elektrischen Felds kann durch eine elektrische Schaltung erfasst werden und in einem elektrischen Signal abgebildet werden.
Vorteilhafterweise weist die Sensoroberfläche mit den anhaftenden Molekülen und/oder Atomen einen sehr geringen Abstand zu der elektrischen Schaltung auf. Insbesondere kann eine selbstorganisierende Monolage als Sensoroberfläche verwendet werden, da eine Dicke der Monolage sehr gering ist und durch eine Moleküllänge der Moleküle der Monolage bestimmt ist.
Es wird ein Sensor zum Erfassen zumindest einer chemischen Spezies vorgestellt, wobei der Sensor die folgenden Merkmale aufweist:
eine kapazitive Struktur, die dazu ausgebildet ist, eine Kapazität der Struktur in einem elektrischen Kapazitätssignal abzubilden;
eine elektrisch isolierende Isolierschicht, die auf der Struktur angeordnet ist; und
eine selbstorganisierende Monolage, die auf der Isolierschicht angeordnet ist, wobei die Monolage aus Molekülen aufgebaut ist, die an einem ersten Ende mittels einer stabilen chemischen bzw. kovalenten Verbindung mit der Isolierschicht verbunden sind und an einem gegenüberliegenden zweiten Ende dazu ausgebildet sind, eine Verbindung mit der Spezies einzugehen.
Unter einem Sensor (der auch als Sensoraufbau bezeichnet werden kann) kann vorliegend eine Abfolge von Schichten eines Sensorelementes verstanden werden. Dabei kann jede Schicht ein integraler Bestandteil des Sensors bzw. Sensorelementes sein. Eine chemische Spezies kann ein chemisches Element beziehungsweise eine chemische Verbindung mit diesem Element sein. Die Spezies kann als Einzelatom vorhanden sein. Die Spezies kann Bestandteil eines Moleküls sein. Eine kapazitive Struktur kann dazu ausgebildet sein, eine Änderung der Kapazität in dem Kapazitätssignal abzubilden. Die kapazitive Struktur kann dazu ausgebildet sein, das Kapazitätssignal unter Verwendung einer Versorgungsspannung bereitzustellen. Eine Isolierschicht kann elektrisch nichtleitend sein. Die Isolierschicht kann eine gleichmäßige Schichtdicke aufweisen. Die Isolierschicht kann fest mit der Struktur verbunden sein. Die Moleküle der Monolage können quer zu einer Oberfläche der Isolierschicht ausgerichtet sein. Dabei können die zweiten Enden von der Isolierschicht weg weisen. Insbesondere kann die Spezies zumindest eine bindungsfähige Verbindungsstelle zum Andocken an dem zweiten Ende der Monolage aufweisen. Unter einer stabilen Verbindung kann vorliegend eine chemische Bindung verstanden werden, die bei Raumtemperatur (d. h. in einem Bereich von 10 bis 40 °C) ohne Zufuhr von Fremdenergie sich im Wesentlichen nicht trennt. Unter einer Bindung kann vorliegend eine chemische Verbindung, im Speziellen eine kovalente Bindung verstanden werden.
Weiterhin wird ein Fluid zum Ausbilden einer selbstorganisierenden Monolage offenbart, die auf der Isolierschicht anordenbar ist, wobei die Monolage aus Molekülen aufgebaut ist, die an einem ersten Ende mittels einer stabilen Verbindung mit der Isolierschicht verbindbar sind und an einem gegenüberliegenden zweiten Ende dazu ausgebildet sind, eine Verbindung mit der Spezies einzugehen.
Ein Fluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Das Fluid kann die Moleküle der Monolage in ungebundenem Zustand aufweisen.
Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen einer kapazitiven Struktur, die dazu ausgebildet ist, eine Kapazität der Struktur in einem elektrischen Kapazitätssignal abzubilden;
Ausbilden einer elektrisch isolierenden Isolierschicht auf der Struktur; und
Anlagern von Molekülen an der Isolierschicht, um eine selbstorganisierende Monolage auszubilden, wobei die Moleküle an einem ersten Ende mittels einer stabilen Verbindung mit der Isolierschicht verbunden sind und an einem gegenüberliegenden zweiten Ende dazu ausgebildet sind, eine Verbindung mit zumindest einer Spezies einzugehen.
Das Anlagern kann unter Verwendung eines Fluids gemäß dem hier vorgestellten Ansatzes erfolgen. Das Ausbilden kann von selbst unter Verwendung einer reaktiven Spezies in einer Umgebung der Struktur erfolgen. Beispielsweise kann das Ausbilden unter Verwendung von Sauerstoff erfolgen. Die kapazitive Struktur kann einen Sourcekontakt, einen Drainkontakt, ein Halbleitermaterial und eine Gateelektrode aufweisen. Das Kapazitätssignal kann ein Stromfluss zwischen dem Sourcekontakt und dem Drainkontakt repräsentieren. Die kapazitive Struktur kann als Transistor ausgebildet sein. Insbesondere kann die kapazitive Struktur als CMOS-Struktur ausgeführt sein. Transistoren sind als zuverlässige Bauelemente bekannt. Die Herstellung von Transistoren ist kostengünstig unter Verwendung von Halbleitertechnik möglich.
Die Gateelektrode kann benachbart zu der Isolierschicht angeordnet sein. Dann kann ein Material der Gateelektrode als Ausgangsmaterial der Isolierschicht verwendet werden. Insbesondere kann die Isolierschicht ausgebildet werden, ohne eine weitere Schicht aufzutragen.
Das Halbleitermaterial kann benachbart zu der Isolierschicht angeordnet sein. Dadurch kann die Kapazität mit besonders hoher Empfindlichkeit erfasst werden, da die Monolage einen besonders geringen Abstand von der kapazitiven Struktur aufweist.
Der Sensor kann eine Elektrode zum Beeinflussen der Kapazität der kapazitiven Struktur umfassen. Durch eine zusätzliche Elektrode kann beispielsweise ein Arbeitspunkt der kapazitiven Struktur eingestellt werden. Beispielsweise kann der Arbeitspunkt an einen besonders empfindlichen Bereich einer Kennlinie verschoben werden. Ein Material der Elektrode kann als Ausgangsmaterial der Isolierschicht dienen.
Die Elektrode kann zwischen der Isolierschicht und der kapazitiven Struktur angeordnet sein. Die Elektrode kann durch eine weitere Isolierschicht oder ein Dielektrikum elektrisch von der kapazitiven Struktur getrennt sein.
Die Isolierschicht kann ein Metalloxid einer angrenzenden Metalloberfläche umfassen. Die Isolierschicht kann aus Metall der Metalloberfläche entstehen. Insbesondere kann die Isolierschicht durch ein Oxidieren der Metalloberfläche hergestellt werden. Dadurch kann die Isolierschicht kostengünstig hergestellt werden.
Der Sensor kann eine weitere kapazitive Struktur umfassen, die in einer Reihenschaltung zu der ersten kapazitiven Struktur und ebenfalls von der Monolage beeinflussbar angeordnet ist. Die weitere kapazitive Struktur kann dazu ausgebildet sein, eine weitere Kapazität der weiteren Struktur in einem weiteren elektrischen Kapazitätssignal abzubilden. Insbesondere sich kann das weitere Kapazitätssignal entgegengesetzt zu dem Kapazitätssignal der ersten kapazitiven Struktur verändern, wenn sich die Konzentration der Spezies verändert. Dadurch kann eine Differenz zwischen den Kapazitätssignalen als Sensorsignal ausgewertet werden.
Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines schematischen Sensors zum Erfassen zumindest einer chemischen Spezies gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Darstellung einer selbstorganisierenden Monolage;
3 eine Darstellung eines Transistors mit einem Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine Darstellung eines Transistors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine Darstellung eines Transistors mit vergrabener Gateelektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 eine Darstellung eines Transistors mit einer weiteren Elektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 eine Darstellung einer Reihenschaltung von Kapazitäten mit einem Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines schematischen Sensors 100 zum Erfassen zumindest einer chemischen Spezies 102. Der Sensor 100 weist eine kapazitive Struktur 104, eine elektrisch isolierende Schicht 106 (SAM) und eine selbstorganisierende Monolage 108 auf. Die kapazitive Struktur 104 ist dazu ausgebildet, eine Kapazität der Struktur 104 in einem elektrischen Kapazitätssignal 110 abzubilden. Die Isolierschicht 106 ist auf der Struktur 104 angeordnet. Die selbstorganisierende Monolage 108 ist auf der Isolierschicht 106 angeordnet. Die Monolage 108 ist aus Molekülen 112 aufgebaut, die an einem ersten Ende 114 über eine stabile Verbindung mit der Isolierschicht 106 verbunden sind und an einem gegenüberliegenden zweiten Ende 116 dazu ausgebildet sind, eine Verbindung mit der Spezies 102 einzugehen.
Die Moleküle 112 der Monolage 108 weisen ein elektrisches Dipolmoment auf, welches von der Elektronenverteilung im Molekül abhängt. Wenn sich ein Molekül oder ein Atom der chemischen Spezies 102 an einem zweiten Ende 116 eines Moleküls 112 der Monolage 108 anlagert, verändert sich die Elektronenverteilung und damit das Dipolmoment. Das Dipolmoment beeinflusst unmittelbar die Ladung auf der Elektrode und damit die Kapazität der kapazitiven Struktur 104.
Da die Isolierschicht 106 eine sehr geringe Dicke, im Bereich weniger Nanometer aufweist, ist ein Abstand zwischen der Monolage 108 und der kapazitiven Struktur 104 sehr gering. Die Isolierschicht 106 kann als Dielektrikum 106 bezeichnet werden. Auch die Monolage 108 ist aufgrund ihrer, durch die Länge der Moleküle 112 definierten Dicke sehr dünn. Zusammen sind die Isolierschicht 106 und die Monolage 108 weniger als zehn Nanometer dick. Der hier vorgestellte Sensor 100 ist damit wesentlich dünner als bisher bekannte Aufbauten. Somit resultiert eine Veränderung des Dipolmoments der Monolage 108 in einer sehr starken Veränderung der Kapazität der kapazitiven Schicht 104. Daraus wiederum resultiert eine große Änderung des Kapazitätssignals 110. Der hier vorgestellte Aufbau 100 weißt also gegenüber bisher bekannten Aufbauten aufgrund der sehr geringen Schichtdicken der Isolationsschicht 106 und der Monolage 108 eine wesentlich erhöhte Empfindlichkeit gegenüber der chemischen Spezies 102 auf.
2 zeigt eine Darstellung einer selbstorganisierenden Monolage 108. Die Monolage 108 entspricht im Wesentlichen der Monolage in 1. Die Monolage 108 kann als self-assembling Monolayer (SAM) bezeichnet werden. Wie in 1 ist die Monolage 108 Teil eines Sensors 100 aus einer kapazitiven Struktur 104 und einer Isolierschicht 106. Hier ist nur eine außen liegende metallische Schicht 200 der kapazitiven Struktur 104 dargestellt. Die metallische Schicht 200 ist hier aus Aluminium (Al). Die Isolierschicht 106 besteht hier aus oxidiertem Aluminium, als aus Aluminiumoxid (AlO_x). Das Aluminiumoxid 106 entsteht durch natürliche Oxidation des Aluminiums. Um eine sichere elektrische Isolation zu gewährleisten, kann das Aluminium der metallischen Schicht 200 durch einen kontrollierten Oxidationsprozess in das Aluminiumoxid 106 umgewandelt werden.
Um an dem Aluminiumoxid 106 anhaften zu können, weisen die Moleküle 112 der Monolage 108 an dem ersten Ende 114 erste Molekülgruppe A 202 auf. An dem zweiten Ende 116 weisen die Moleküle 112 der Monolage 108 eine, auf die chemische Spezies 102 abgestimmte (reaktions-aktive) Gruppe 204 beziehungsweise zweite Molekülgruppe B 204 auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Gruppe 204 am zweiten Ende 116 der Moleküle 112 dazu ausgebildet, eine Verbindung mit einer weiteren Molekülgruppe C einzugehen, beziehungsweise Die beiden Gruppen 202, 204 sind über eine Verbindungskette 206 miteinander verbunden. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Gruppen 202, 204 über eine Alkyl-Kette 206 miteinander verbunden. Die Alkyl-Kette 206 verbindet die Ankergruppe 202 und die reaktionsaktive Gruppe 204. Die Moleküle 112 bilden bildlich ausgedrückt einen dichten Rasen von Molekülen 112 aus. Die Moleküle 112 sind untereinander nicht verbunden. Da sich jeweils nur die Ankergruppe 202 mit der Isolationsschicht 106 verbinden kann, ordnen sich die Moleküle 112 selbstständig in der hier beschriebenen Ordnung an, wenn die Isolierschicht 106 in ein Fluid aus den Molekülen 112 getaucht beziehungsweise eingebracht wird. Dabei wird im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der Isolationsschicht 106 durch Ankergruppen 202 bedeckt.
Wenn, wie in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel beschrieben, ein Molekül bzw. ein Stoff C 102 eine Verbindung mit dem zweiten Ende 116 beziehungsweise der Gruppe 204 eines Moleküls 112 eingeht, entsteht ein neues Molekül 208, dass gegenüber dem Molekül 112 ein verändertes Dipolmoment aufweist. Dieses Dipolmoment beeinflusst direkt die Kapazität der kapazitiven Struktur 104.
In 2 sind weitere Details zur sensitiven Oberfläche aus Dielektrikum 106 und SAM 108 und dem zugehörigen physikalischen Mechanismus dargestellt. Die Oberfläche des Sensors 100 ist hier dem gasförmigen Stoff C 102 ausgesetzt. Die Gruppe B 204 der SAM 108 ist so beschaffen, dass sie mit dem Stoff C 102 reagiert. Hierdurch ändert sich das elektrische Dipolmoment entlang des Stapels 100 aus Dielektrikum 106 und SAM 108 und damit die Ladungsverteilung auf der Gate-Elektrode 200 des Transistors 104, sofern das Bauelement bzw. der Transistor in eine geeignete Schaltung eingebracht ist.
Das Dielektrikum 106 auf dieser Struktur 200 kann extra abgeschieden werden oder es handelt sich um eine natürliche Oxidschicht 106, wie beispielsweise auf Kupfer oder Aluminium, welche dann durch eine Sauerstoff-Plasmabehandlung auf einige Nanometer verstärkt werden kann.
Die SAM 108 bildet eine geschlossene Monolage auf der Struktur 200 aus und ist chemisch so beschaffen, dass die SAM 108 mit der Ankergruppe A 202 auf dem Oxid 106 andockt und dann nur noch ein spezifisches Gas-Molekül 102 bzw. Atom 102 mit der Gruppe B 204 der SAM 108 interagieren kann. Durch diese Interaktion ändert sich das elektrische Dipolmoment des Stapels 100 aus SAM 108 und Dielektrikum 106, wodurch sich die elektrische Ladung auf der Struktur 200 beziehungsweise Elektrode 200 ändert. Je nach technischer Ausführungsform wird hierdurch beispielsweise die Schwellspannung eines Transistors oder aber nur die Kapazität einer Auswerteschaltung geändert. Aus diesen Änderungen lassen sich Rückschlüsse auf die Gaskonzentration ziehen.
Der hier vorgestellte Ansatz kann einfach in bestehende Halbleiterprozesse integriert werden, da die Verwendung von Plasmen und die Abscheidung von Metallen bereits in der Fertigung bekannt sind.
Eine sehr kostengünstige Erweiterung bestehender ASICs um Gas-sensitive Strukturen 100 ist möglich. Metalle 200 werden sehr günstig abgeschieden. Zusätzliche Kosten entstehen nur durch die speziell synthetisierte SAM 108.
Der hier vorgestellte Ansatz ist bei Standard CMOS-Prozessen zusätzlich einsetzbar, aber es ist auch eine flexible Adaption auf neuere Halbleitertechnologien wie organische Halbleiter, Oxidhalbleiter (ZnO, IGZO), Graphen, Nanodrähte beispielsweise aus Silizium, Carbon Nanotubes, MoS₂-Schichten möglich.
Die Selektivität der SAM 108 ist nahezu unbegrenzt durch organische Chemie einstellbar. Die SAM 108 besteht beispielsweise aus einer Alkylkette 112 mit einer Ankergruppe A 202 und einer Gruppe B 204. Die Ankergruppe A 202 wird dabei auf die Oberfläche des Dielektrikums 106 im Prozess angepasst, sodass die SAM 108 stabile Bindungen mit dem Oxid 106 eingehen kann. Die Gruppe B 204 wird auf den zu detektierenden Stoff 102 eingestellt. Aus physikalischen Gründen ist das Plasma-gewachsene Oxid 106 nur wenige Nanometer dick. Die typische Länge einer SAM 108 liegt ebenfalls bei wenigen Nanometern, sodass die Gesamtdicke des Stapels 100 aus Dielektrikum 106 und SAM 108 bei ca. vier bis 6 Nanometer liegt. Diese Kapazität ist damit ca. 200 mal größer, als Kapazitäten mit einem einen Mikrometer dicken Polymer zwischen Metallelektroden, bei gleicher Fläche. Dadurch können Kapazitätsänderungen wesentlich besser aufgelöst werden und die Sensitivität des Gassensors erhöht werden. Alternativ kann die aktive Sensorfläche auch um einen Faktor 200 reduziert werden, wodurch aber die Auflösung reduziert wird.
Durch die Selektivität der aktiven Sensorfläche kommt es zu einer deutlich reduzierten Ausfallwahrscheinlichkeit durch beispielsweise Korrosion oder Ähnliches.
Eine SAM 108 kann entweder aus einer Lösung oder aus der Gasphase aufgebracht werden. Die SAM 108 besteht beispielsweise aus einer Alkylkette 206 mit den Gruppen A 202 und B 204 an den Enden 114, 116. Nur die Gruppe A 202 kann mit der Oxid-Oberfläche 106 interagieren, sodass sich zwangsläufig eine Monolage 108 ausbildet und der Prozess danach automatisch stoppt. Für Oberflächen aus AIOx verwendet man typischerweise Ankergruppen 202 auf der Seite A und für Oberflächen aus SiO₂ typischerweise Silan-Ankergruppen 202 auf Seite A. Die Gruppe 204 auf Seite B wird je nach Sensoranforderung speziell synthetisiert und angepasst.
Die Gate Elektrode 200 des Transistors wird entweder direkt geladen, oder aber man verwendet eine hier nicht gezeigte Referenzelektrode, um das Gate 200 einmalig aufzuladen.
3 zeigt eine Darstellung eines Transistors 300 mit einem Sensor 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hier weist die kapazitive Struktur 104 einen Sourcekontakt 302, einen Drainkontakt 304, ein Halbleitermaterial 306 und eine Gateelektrode 308 auf. Die Gateelektrode 308 ist durch ein Dielektrikum 310 von dem Halbleitermaterial 306, dem Sourcekontakt 302 und dem Drainkontakt 304 elektrisch getrennt. Zwischen dem Sourcekontakt 302 und dem Drainkontakt 304 kann ein elektrisches Potenzial angelegt werden. In dem Halbleitermaterial 306 zwischen dem Sourcekontakt 302 und dem Drainkontakt 304 ist ein Kanalbereich 312 ausgebildet. In dem Kanalbereich 312 befindliche Ladungsträger des Halbleitermaterials 306 sind beweglich. Je nachdem, wie stark ein von der Gateelektrode 308 ausgehendes elektrisches Feld über das Dielektrikum ist, wird die elektrische Leitfähigkeit des Kanalbereichs 312 durch Hinzufügen oder Entfernen von Ladungen beeinflusst.
Wenn das elektrische Potenzial angelegt ist, wird die Leitfähigkeit des Kanalbereichs 312 in einem Stromfluss zwischen dem Sourcekontakt 302 und dem Drainkontakt 304 abgebildet. Der Stromfluss dient als Maß für die Ladung auf der Gate-Elektrode 308. Bei geeigneter Verschaltung des Sensors 100 kann eine Ladung auf die Gate-Elektrode 308 „gespeichert“ werden. Beispielsweise durch eine weitere nicht gezeigte Referenzelektrode. Reagiert die Monolage mit einer Spezies, kann die Ladungsverteilung auf der Gate-Elektrode 308 beeinflusst werden. Dadurch ändert sich die Ladung an der Grenzfläche Gate/Dielektrikum/Kanal und der Strom im Kanal 312 ändert sich.
Die Gateelektrode 308 ist benachbart zu der Isolierschicht 106 angeordnet. Die Isolierschicht 106 und die Monolage 108 umschließen die Gateelektrode 308 an allen freiliegenden Seiten.
Mit anderen Worten zeigt 3 einen chemischen Sensor 300 mit aktiven Strukturen 100 aus "self-assembled monolayers" 108.
Im Gegensatz zu physikalischen Messgrößen, wie Temperatur und Beschleunigung steht bei chemischen Messgrößen, insbesondere Gasen, der Sensor in unmittelbarem Kontakt zum Medium. Hierdurch ergeben sich deutlich höhere Anforderungen hinsichtlich Beständigkeit beziehungsweise Korrosion an die Sensoren. Gassensoren können auf einem resistiven Prinzip beruhen, bei der sich eine Widerstandsänderung durch Anlagerungen von Gasatomen ergibt. Dies wird beispielsweise mit Metalloxid-Halbleitern, organischen Phthalocyanin oder leitfähigen Polymeren realisiert. Andere Ansätze umfassen amperometrische, potenziometrische oder thermische Ansätze. Aufgrund der einfachen Messung sind aber kapazitive Messungen weitaus interessanter, gerade im Hinblick auf die einfache Miniaturisierung. Bei einem herkömmlichen Sensor befindet sich bei einem planaren Aufbau ein Polymer als Dielektrikum zwischen zwei Metallplatten, wobei die obere Metallplatte porös ist, sodass ein Gasmolekül und/oder Gasatom durch diese Schicht diffundieren kann und die Kapazität des Systems verändern kann. Die Kapazität wird hierbei durch die Fläche und den Abstand der Metallplatten, also eine Dicke des Polymers bestimmt. Typische Dicken liegen bei ca. 1 µm.
Eine selbstorganisierende Monolage beziehungsweise SAM (engl. Self-assembled monolayer) kann in Kombination mit elektronischen Komponenten verwendet werden. Beispielsweise kann eine speziell synthetisierte SAM im Feld der organischen Elektronik verwendet werden, um die Oberfläche eines Oxids, wie SiO₂, ITO oder AIOx) zu terminieren, d. h. die ungesättigten OH-Gruppen zu binden und gleichzeitig die Durchschlagfestigkeit eines Dielektrikums signifikant zu erhöhen. Durch die SAM wird die Oberflächenenergie abgesenkt und ein darauf folgendes ungestörtes Wachstum eines, z. B. organischen Halbleiters, ermöglicht. Beispielsweise kann auf einem Substrat eine AI-Gateelektrode angeordnet sein. Diese wird oxidiert, damit sich auf dem resultierenden Aluminiumoxid eine SAM, hier eine Alkyl-Kette mit Ankergruppe anlagern kann. Andere Oberflächen benötigen andere Ankergruppen. Auf der SAM wird ein organischer Halbleiter abgeschieden und anschließend die Source und Drain Kontakte des Transistors strukturiert.
Der hier vorgestellte Ansatz stellt die Verwendung einer SAM 108 in Transistoren 300 vor.
Bei der Verwendung einer SAM als Dielektrikum in Transistoren ist die SAM zwischen Gate und Halbleiter angeordnet. Diese SAMs haben aber nur eine spezielle Ankergruppe. Daher reagieren diese nach der Anlagerung nicht mehr mit weiteren Molekülen/Atomen.
Durch den hier vorgestellten Ansatz können verschiedene Stoffe, insbesondere Gase, wie beispielsweise CO₂, NO mittels einfacher und bereits bekannten Transistorstrukturen 104 detektiert werden. Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird eine bekannte Elektronikkomponente 104, wie ein Transistor 300 aus einem Gate 308, einem Dielektrikum 310, einem Halbleiter 306, einer Source 302 und einem Drain 304 um mindestens eine zusätzliche Dielektrikum-Lage 106 und eine SAM 108 mit zwei Ankergruppen (engl. Self-assembeld monolayer), sowie je nach Variante auch eine zusätzliche Metall-Elektrode erweitert. Diese zusätzlichen Komponenten werden nicht für die Funktionalität des Transistors verwendet, sondern werden für die Detektion des Stoffes/Gases verwendet.
Durch den hier vorgestellten Ansatz kann eine kostengünstige Integration einer weiteren kapazitiven Struktur 100 in einen Transistor 300 oder eine elektrische Schaltung vorgestellt werden. Diese weitere kapazitive Struktur 100 besteht aus einer elektrisch leitfähigen Struktur, einem Dielektrikum 106 und einer SAM 108.
Je nach Ausführungsform eines Transistors 300 ist diese Struktur bereits als Teil des Transistors 300 vorhanden sie wird zusätzlich aufgebracht.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Transistor 300 in CMOS-Technologie ausgeführt. Dabei ist auf der Gate-Elektrode 308 zusätzlich ein Oxid 106 sowie eine SAM 108 strukturiert. Die Oberfläche der SAM 108 ist zum Medium 102, beispielsweise einem Gas 102 offen.
Der hier vorgestellte Ansatz ist nicht nur auf CMOS-Technologie beschränkt, sondern lässt sich auch sehr einfach auf alternative Transistortechnologien, wie zum Beispiel Dünnschichttransistoren integrieren. Diese Art von Transistor benötigt keinen Silizium-Wafer als Substrat, sondern kann auf nahezu jeder beliebigen Oberfläche strukturiert werden. Man benötigt nur eine leitfähige Elektrode als Gate 308, einen Isolator 310, einen Halbleiter 306, beispielsweise einen organischer Halbleiter, Graphen, MoS2, IGZO oder ZnO und weitere leitfähige Kontakte als Source-Kontakt 302 und Drain-Kontakt 304. Die Reihenfolge der einzelnen Schichten kann variiert werden. Gate 308, Source 302 und Drain 304 bestehen typischerweise aus einem Metall, wie beispielsweise AI, Cu, Au oder Ag.
4 zeigt eine Darstellung eines Transistors 300 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Transistor 300 nicht als CMOS-Prozess, sondern in Dünnschichttechnik ausgeführt. Dabei sind der Sourcekontakt 302 und der Drainkontakt 304 auf einem Substrat 500 angeordnet. Das Substrat 500 kann beispielsweise aus Glas oder eine Folie sein. Zwischen dem Sourcekontakt 302 und dem Drainkontakt 304 ist ein Zwischenraum für den Kanalbereich 312. In dem Zwischenraum und oberhalb des Sourcekontakts 302 und des Drainkontakts 304 ist das Halbleitermaterial 306 abgeschieden worden. Auf dem Halbleitermaterial 306 ist wiederum das Dielektrikum 310 angeordnet. Auf dem Dielektrikum 310 ist wie in der 3 die Gateelektrode 308 angeordnet. Die Gateelektrode ist an allen freiliegenden Seiten von der Isolierschicht 106 und der Monolage 108 umschlossen. Die und Isolierschicht 106 ist die Monolage 108 bilden mit der kapazitiven Struktur 104 den Sensor 100 aus.
In der 4 sind weitere Transistorformen in Dünnschichttechnik dargestellt. In diesen Fällen ist die Transistor Gate-Elektrode 308 über dem Halbleiter 306, ähnlich zur CMOS-Struktur in der 3. Hier wird keine zusätzliche Elektrode benötigt. Lediglich ein Dielektrikum 106 und die SAM 108 ergänzt die Transistorstruktur 104. Die Detektion des Stoffes C erfolgt nun analog zum CMOS-Transistor, in dem eine Änderung der Leitfähigkeit des Halbleiters 306 detektiert wird. Dabei zeigt die 5 einen Transistor 300 in top-gate, bottom-contact Ausführung, es ist aber auch eine Ausführung als top-gate, top-contact möglich (nicht gezeigt).
5 zeigt eine Darstellung eines Transistors 300 mit vergrabener Gateelektrode 308 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 weist der Transistor 300 einen Sourcekontakt 302, einen Drainkontakt 304, einen Halbleitermaterial 306, eine Gateelektrode 308 und ein Dielektrikum 310 auf. Hier ist das Halbleitermaterial 306 benachbart zu der Isolierschicht 106 angeordnet. Wie in der 4 ist der Transistor 300 in Dünnschichttechnik ausgeführt. Hier ist die Gateelektrode 308 unmittelbar auf dem Substrat 500 angeordnet. Die Gateelektrode 308 ist von dem Dielektrikum 310 umschlossen und elektrisch von dem Halbleitermaterial 306 isoliert. Das Halbleitermaterial 306 weist eine ebene Oberfläche auf, auf welcher der Sourcekontakt 302 und der Drainkontakt 304 angeordnet sind. Der Sourcekontakt 302 unter Drainkontakt 304, sowie dass zwischen dem Sourcekontakt 302 und dem Drainkontakt 304 freiliegende Halbleitermaterial 306 sind von der Isolierschicht 106 bedeckt. Die Monolage 108 ist auf der Isolierschicht 106 angeordnet.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Monolage 108 in dem Bereich zwischen dem Sourcekontakt 302 und dem Drainkontakt 304 dicker, als über dem Sourcekontakt 302 und dem Drainkontakt 304.
In 5 sind das Dielektrikum 106 und die SAM 108 direkt auf dem Halbleiter 306 strukturiert. Hierdurch wirkt die Änderung des Dipolmoments unmittelbar auf den Halbleiter 306 des Transistors 306. Je nach Änderung wird die Ladung im Kanal 312 erhöht oder erniedrigt, sodass sich der Strom im Transistor 302 ändert. In dieser Bauform ist es vorteilhaft, wenn der Halbleiter 306 sehr dünn ist. Wesentlich weniger als 20 nm sind dabei gut. In einem Ausführungsbeispiel ist der Halbleiter 306 als ein Nanowire ausgeführt. Ebenso kann der Halbleiter 306 als CNT oder einem 2D-Material, wie Graphen ausgeführt sein. Damit wird ein signifikanter Einfluss auf den "Transistor-Kanal" 312 an der Grenzfläche zwischen dem Dielektrikum 310 und dem Halbleiter 306 ausgeübt.
In diesem Fall wurde das Dielektrikum 106 und die SAM 108 direkt auf den Halbleiter 306 aufgebracht.
6 zeigt eine Darstellung eines Transistors 300 mit einer weiteren Elektrode 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Transistor 300 entspricht im Wesentlichen dem Transistor in 5. Im Gegensatz dazu ist in dem Bereich zwischen dem Sourcekontakt 302 und dem Drainkontakt 304 die weitere Elektrode 800 angeordnet. Damit ist die weitere Elektrode 800 zwischen der Isolierschicht 106 und der kapazitiven Struktur 104 angeordnet. Die weitere Elektrode 800 ist durch ein weiteres Dielektrikum 802 von dem Sourcekontakt 302, dem Halbleitermaterial 306 und dem Drainkontakt 304 elektrisch isoliert. Die weitere Elektrode 800 steht über den Sourcekontakt 302 und dem Drainkontakt 304 über. Die Isolierschicht 106 des hier vorgestellten Sensors 100 umschließt zusammen mit der Monolage 108 die weitere Elektrode 800 vollständig. Die weitere Elektrode 800 ist dazu ausgebildet, die Kapazität der kapazitiven Struktur 104 zu beeinflussen.
In 6 ist ein Dünnschichttransistor 300 in der bottom-gate, top-contact Variante gezeigt. Das bedeutet, die Gate-Elektrode 308 ist auf einem Trägersubstrat 500 und die Source/Drain-Kontakte 302, 304 befinden sich auf dem Halbleiter 306. Wird nun zusätzlich ein weiteres Dielektrikum 802 und eine weitere Elektrode 800 auf dem Halbleiter 306 abgeschieden, handelt es sich um einen Transistor 300 in Double-Gate-Struktur, bei der sich durch die obere Elektrode 800 die Schwellspannung des Transistors 300 gezielt beeinflussen lässt.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden auf diese weitere Elektrode 800 zusätzlich ein Dielektrikum 106 und eine SAM 108 abgeschieden. Wenn diese elektronische Komponente aus dem Transistor 300 mit double-gate und Dielektrikum 106 und SAM 108 dem Stoff C ausgesetzt wird, so kommt es bei geeigneter Beschaffenheit der SAM 108 zu einer Reaktion, wodurch das elektrische Dipolmoment der SAM 108 geändert wird, wie in 2 dargestellt. In dieser Ausführungsform wird nun die Schwellspannung des Transistors 300 verändert und es können Rückschlüsse auf die Konzentration des Stoffes C gezogen werden.
Mit anderen Worten zeigt 6 einen Transistor 300 in Dünnschichttechnik bestehend aus einem beliebigen Substrat 500, einer Gate-Elektrode 308, einem Halbleiter 306, einem Source-Kontakt 302 und einem Drain-Kontakt 304. Zusätzlich ist ein Dielektrikum 802 zur elektrischen Isolation auf die Kontakte 302, 304 und den Halbleiter 306 aufgebracht. Des Weiteren ist eine zusätzliche Elektrode 800 auf das Dielektrikum 802 aufgebracht. Diese weitere Elektrode 800 ist mit einem Oxid 106 und einer Sam 108 beschichtet.
Alternativ wäre auch eine Ausführung als bottom-gate, bottom-contact Variante denkbar, was hier nicht gezeigt ist.
7 zeigt eine Darstellung einer Reihenschaltung 1000 von Kapazitäten 1002, 1004 mit einem Sensor 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die erste Kapazität 1002 kann als erste kapazitive Struktur 104 bezeichnet werden. Die zweite Kapazität 1004 kann als zweite kapazitive Struktur bezeichnet werden. Die beiden Kapazitäten 1002, 1004 sind nebeneinander angeordnet. Die Kapazitäten 1002, 1004 bestehen aus drei Elektroden 1006, 1008, 1010. Die erste Elektrode 1006 und die zweite Elektrode 1008 bilden die erste Kapazität 1002 aus. Die zweite Elektrode 1008 und die dritte Elektrode 1010 bilden die zweite Kapazität 1004 aus. Die Kapazitäten 1002, 1004 sind damit in Reihe zueinander geschaltet. Die Elektroden 1006, 1008, 1010 sind jeweils durch eine Isolierschicht 310 elektrisch voneinander isoliert. Die Reihenschaltung 1000 ist auf einem Substrat 500 angeordnet. Das Substrat 500 ist passiviert. Die erste Elektrode 1006, die zweite Elektrode 1008 und die dritte Elektrode 1010 sind unmittelbar auf dem Substrat 500 angeordnet. Die zweite Elektrode 1008 weist jeweils eine Aussparung für die erste Elektrode 1006 und die dritte Elektrode 1010 auf. Die zweite Elektrode 1008 ist vollständig durch die Isolierschicht 106 umschlossen. Auf der Isolierschicht 106 ist die Monolage 108 angeordnet und bildet damit den Sensor 100 aus. Eine Änderung des Dipolmoments an der Monolage 108 beeinflusst die erste Kapazität 1002 und die zweite Kapazität 1004.
Im Betrieb wird die erste Elektrode 1006 auf ein Spannungspotenzial gelegt, wodurch eine Ladung Q+ an der Grenzfläche zum Elektrode 1006/Dielektrikum 310 angereichert wird. Die dritte Elektrode 1010 wird auf ein entgegengesetztes Spannungspotenzial gelegt, wodurch eine Ladung Q– an der Grenzfläche Elektrode 1010/Dielektrikum 310 angereichert wird. Auf der zweiten Elektrode 1008 im Bereich der ersten Kapazität 1002 wird sich eine Ladung l Q– einstellen. Durch das negative Ladung Q– bei der dritten Elektrode 1010 weist die zweite Elektrode 1008 im Bereich der zweiten Kapazität 1004 eine positive Ladung Q+ auf. In der zweiten Elektrode 1008 findet also eine Ladungstrennung statt. Wenn nun Moleküle der zu sensierenden Spezies in Kontakt mit der Monolage 108 treten, werden die Kapazitäten der ersten Kapazität 1002 und der zweiten Kapazität 1004 durch die Veränderung des Dipolmoments in der Monolage 108 beeinflusst. Dieser Einfluss kann durch ein erstes Spannungssignal der ersten Kapazität 1002 und/oder ein zweites Spannungssignal der zweiten Kapazität 1004 erfasst werden. Generell könnten die Ladungsvorzeichen auch umgedreht sein.
In 7 ist eine vereinfachte Ausführungsform basierend auf zwei Plattenkondensatoren 1002, 1004 in einer Reihenschaltung 1000 beschrieben. Dieser Aufbau besteht aus insgesamt drei Elektroden 1006, 1008, 1010, wobei die erste Elektroden 1006 und die dritte Elektrode 1010 von der oberen Elektrode 1008 durch ein beliebiges Dielektrikum 310 voneinander elektrisch isoliert sind. Die dritte Elektrode 1008 wird zum Stoff C mit einem dünnen Dielektrikum 106 und einer SAM 108 abgeschlossen. Wie bereits in vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschrieben, kommt es bei einer Reaktion des Stoffes C mit der SAM 108 zu einer Änderung des Dipolmoments am Stapel 100 aus der SAM 108 und dem Dielektrikum 106. Dadurch wird ein Teil der elektrischen Ladung von den Grenzflächen zur ersten Elektrode 1006 und der dritten Elektrode 1010 "abgezogen", sodass sich auch die Ladung auf der ersten Elektrode 1006 und der dritten Elektrode 1010 ändert. Diese Kapazitätsänderung kann gemessen werden und gibt Rückschlüsse auf die Konzentration des Stoffes C.
Mit anderen Worten zeigt 7 eine Reihenschaltung 1000 von mehreren Kapazitäten 1002, 1004. Das veränderliche Dipolmoment "über" der zweiten Elektrode 1008 beeinflusst die gespeicherte Ladung auf ersten Elektrode 1006 und der dritten Elektrode 1010.
8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1100 zum Herstellen eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 1100 weist einen Schritt 1102 des Bereitstellens, einen Schritt 1104 des Ausbildens und einen Schritt 1106 des Anlagerns auf. Im Schritt 1102 des Bereitstellens wird eine kapazitive Struktur bereitgestellt. Die kapazitive Struktur ist dazu ausgebildet, eine Kapazität der Struktur in einem elektrischen Kapazitätssignal abzubilden. Im Schritt 1104 des Ausbildens wird eine elektrisch isolierende Isolierschicht auf der Struktur ausgebildet. Im Schritt 1106 des Anlagerns werden Moleküle an der Isolierschicht angelagert, um eine selbstorganisierende Monolage auszubilden. Die Moleküle werden unter Verwendung eines Fluids 1108 zum Ausbilden der selbstorganisierenden Monolage angelagert. Dabei bilden die Moleküle an einem ersten Ende eine stabile Verbindung mit der Isolierschicht aus. An einem gegenüberliegenden zweiten Ende sind die Moleküle dazu ausgebildet, eine Verbindung mit zumindest einer Spezies einzugehen.
Der hier vorgestellte Ansatz kann durch Schliffe in Kombination mit Focused-Ion-Beam Anlagen beziehungsweise hochauflösende Schliffe und EDX bzw. Augerspektroskopie zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der SAM nachgewiesen werden. Der hier vorgestellte Ansatz kann bei allen Sensoren im Bereich Gas-Detektion, wie beispielsweise CO2 oder NO eingesetzt werden.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Sensor (100) zum Erfassen zumindest einer chemischen Spezies (102), wobei der Sensor (100) die folgenden Merkmale aufweist: eine kapazitive Struktur (104), die dazu ausgebildet ist, eine Kapazität der Struktur (104) in einem elektrischen Kapazitätssignal (110) abzubilden; eine elektrisch isolierende Isolierschicht (106), die auf der Struktur (104) angeordnet ist; und eine selbstorganisierende Monolage (108), die auf der Isolierschicht (106) angeordnet ist, wobei die Monolage (108) aus Molekülen (112) aufgebaut ist, die an einem ersten Ende (114) mittels einer stabilen Verbindung mit der Isolierschicht (106) verbunden sind und an einem gegenüberliegenden zweiten Ende (116) dazu ausgebildet sind, eine Verbindung mit der Spezies (102) einzugehen.
Sensor (100) gemäß Anspruch 1, bei dem die kapazitive Struktur (104) einen Sourcekontakt (302), einen Drainkontakt (304), ein Halbleitermaterial (306) und eine Gateelektrode (308) aufweist, wobei das Kapazitätssignal (110) ein Stromfluss zwischen dem Sourcekontakt (302) und dem Drainkontakt (304) repräsentiert.
Sensor (100) gemäß Anspruch 2, bei dem die Gateelektrode (308) benachbart zu der Isolierschicht (106) angeordnet ist.
Sensor (100) gemäß Anspruch 2, bei dem das Halbleitermaterial (306) benachbart zu der Isolierschicht (106) angeordnet ist.
Sensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Elektrode (800) zum Beeinflussen der Kapazität der kapazitiven Struktur (104).
Sensor (100) gemäß Anspruch 5, bei dem die Elektrode (800) zwischen der Isolierschicht (106) und der kapazitiven Struktur (104) angeordnet ist.
Sensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Isolierschicht (106) ein Metalloxid einer angrenzenden Metalloberfläche (200) umfasst.
Sensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Isolierschicht (106) ein Dielektrikum (106) umfasst.
Sensor (100) mit einer weiteren kapazitiven Struktur (1004), die in einer Reihenschaltung zu der kapazitiven Struktur (104, 1002) und von der Monolage (108) beeinflussbar angeordnet ist, wobei die weitere kapazitive Struktur (1004) dazu ausgebildet ist, eine weitere Kapazität der weiteren Struktur (1004) in einem weiteren elektrischen Kapazitätssignal abzubilden.
Verfahren (1100) zum Herstellen eines Sensors (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (1100) die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen (1102) einer kapazitiven Struktur (104) die dazu ausgebildet ist, eine Kapazität der Struktur (104) in einem elektrischen Kapazitätssignal (110) abzubilden; Ausbilden (1104) einer elektrisch isolierenden Isolierschicht (106) auf der Struktur (104); und Anlagern (1106) von Molekülen (112) an der Isolierschicht (106), um eine selbstorganisierende Monolage (108) auszubilden, wobei die Moleküle (112) an einem ersten Ende (114) mittels einer stabilen Verbindung mit der Isolierschicht (106) verbunden sind und an einem gegenüberliegenden zweiten Ende (116) dazu ausgebildet sind, eine Verbindung mit zumindest einer Spezies (102) einzugehen.