Feldeffekttransistoren mit Luftspalt für den Nachweis von Wasserstoff

Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft. Da Wasserstoff mit Luft in einem weiten Mischungsbereich (4 - 74 vol%) ein explosives Gemisch bildet und zudem durch die menschlichen Sinne nicht wahrnehmbar ist, geht von seiner Verwendung potentielle Gefahr aus. Demzufolge ist man auf die Erfassung von Wasserstoff durch Sensoren angewiesen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Wasserstoffsensors, der folgenden Forderungen genügt: klein, kostengünstig, geringer Energieverbrauch, in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar, Messbereich von 100 ppm bis 4 vol% H2. Als Sensor dient ein Hybrid Suspended Gate Feldeffekttransistor (HSGFET). Er gehört zur Klasse der Feldeffekt-Sensoren, bei denen die gasbedingte Austrittsarbeitsänderung einer sensitiven Schicht in ein Sensorsignal umgesetzt wird. Weil sich beim HSGFET zwischen dem Gate und dem FET ein Luftspalt befindet, wird er als MAIS-Bauteil (Metal-Airgap-Insulator-Semiconductor) bezeichnet. An der Unterseite des Gate, dem FET zugewandt, befindet sich die gassensitive Schicht. Der Vorteil dieser Bauweise ist, dass die gassensitive Grenzfläche für das Gas ohne Diffusion zugänglich ist. Neben der Entwicklung und Charakterisierung einer wasserstoffsensitiven Sensorschicht wird im Zuge dieser Arbeit auch ein H2FET aufgebaut, charakterisiert und dessen Funktionalität gezeigt. Zur Auswahl geeigneter Sensormaterialien werden Iridium, Palladium und Platin sowie mit Platin modifiziertes Iridium (IrPt) und Palladiumlegierungen (PdAg, PdNi) untersucht. Als dünne Schichten auf dem Trägermaterial (hochdotiertes p-Silizium) abgeschieden, werden die Materialien sowohl mit Hilfe der Kelvinsonde als auch dem sog. LaborFET auf ihre Sensitivität, Selektivität und Stabilität bezüglich Wasserstoff und relevanter Quergase (NO2, CO2, CO, NH3, Cl2) getestet. Die Experimente zeigen, dass Platin als gassensitive Schicht mit einer dünnen Pufferschicht aus Titan zwischen der Sensorschicht und dem Trägermaterial das geeignetste gassensitive Material (TiPt) ist: Es lässt keine mechanischen Veränderungen der Oberfläche durch Gaseinfluss erkennen und liefert bereits bei Raumtemperatur sowohl schnelle (t90-Zeiten von etwa 10 Sekunden) als auch voll reversible Sensorsignale. Das Platin ist zudem wenig sensitiv gegenüber den Quergasen und lässt auch keine Vergiftung durch diese erkennen. Mit der Titan Pufferschicht werden Schottky-Kontakte an der Grenzfläche zwischen dem Platin und dem Silizium vermieden. Dadurch wird nicht nur die Sensor-Baseline stabilisiert sondern auch die Haftung auf dem Trägermaterial verbessert. Des weiteren wurde ein starker Einfluss der Oberflächenmorphologie des Platins auf die Reaktionsgeschwindigkeit und Temperaturabhängigkeit der Sensorsignale ermittelt. Die diesbezüglichen Untersuchungen werden dargestellt und diskutiert. Um die Machbarkeit eines solchen Sensors zu demonstrieren, wird ein H2FET aufgebaut. Dazu wird ein mikromechanisch strukturiertes Gate mit TiPt beschichtet und mit Hilfe eines Flip-Chip-Bonders sowie Klebetechnik auf dem FET positioniert und fixiert. Der so entstandene H2FET hat einen sehr niedrigen Energieverbrauch von einigen �W und wird in Bezug auf seine Eigenschaften als Wasserstoffsensor charakterisiert sowie seine Funktionsfähigkeit bei Raumtemperatur und feuchter Atmosphäre gezeigt. Da für den so hergestellten H2FET nur Techniken und Methoden verwendet werden, die in der Halbleiterindustrie standardmäßig zur Verfügung stehen, hat dieser ein sehr hohes Potential für eine kostengünstige Fertigung im industriellen Maßstab.Hydrogen is predicted to be the main energy source of the future. As it is undetectable to the human senses, however, and can build an explosive mixture in air over a wide range of concentrations (4 - 74 vol%), there is an increasing need to detect hydrogen by using sensors. This work deals with the development of a hydrogen sensor which fulfils following demands: small, cheap, low energy consumption, wide operational temperature range, measurement range between 100 ppm and 4 vol% H2. A Hybrid Suspended Gate Field-Effect Transistor (HSGFET) is used as the sensor. Such a HSGFET is one of the class of field-effect sensors in which the gas-induced work function change of a sensitive layer is used to detect gases. It is termed a MAIS-device (Metal-Air-gap-Insulator-Semiconductor) as this sensor has an air-gap between the gate and the FET. The gas sensitive layer is deposited on the bottom of the gate, facing towards the FET. The big advantage of this construction is the free access to the gas sensitive interface without necessity of gas diffusion. In addition to the development and characterization of a suitable hydrogen sensitive layer, a H2FET will be built, characterized and its functionality demonstrated. In order to find a proper gas sensitive material, iridium, palladium, platinum as well as iridium modified with a thin layer of platinum (IrPt) and palladium alloys (PdAg, PdNi) will be investigated. Deposited as thin layers on a substrate (highly doped p-silicon), the sensitivity, selectivity and stability of the materials will be tested by means of a Kelvin-probe and a so-called LaborFET in relation to hydrogen and other relevant cross-gases (NO2, CO2, CO, NH3, Cl2). The experiments reveal that platinum, together with a thin titanium buffer-layer between the sensor layer and the substrate (TiPt), is the most suitable gas-sensitive system: It shows no gas-induced change to its surface morphology, reacts very quickly (t90-times of about 10 seconds) and fully reversible to hydrogen even at room temperature. Furthermore, platinum is insensitive to the cross-gases and no poisoning was found. The titanium buffer-layer avoids Schottky-contacts between the platinum and the substrate, is stabilizing the sensor baseline and improving the adhesion of the platinum on the base. Additionally, the velocity and temperature dependence was found to be strongly influenced by the surface morphology of the platinum. The respective results will be shown and discussed. A H2FET were built up in order to demonstrate the feasibility of such a device. For this purpose, a micromechanical structured gate was coated with TiPt. Afterwards, the gate was adjusted and mounted to a FET by means of a flip-chip-bonder and gluing. This H2FET has shown its functionality as a hydrogen sensor at low temperatures and in humid atmosphere in combination with an energy consumption of some �W. As only semiconductor industry standard methods and materials were used to build up the H2FET, this device is expected to have a high potential for low priced industrial production