Entwicklung eines neuen Feldeffekt-Gassensors mit hybriden Gate-Aufbau und vertikalen Transistordesign

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Die vorliegende Arbeit stellt ein neues Konzept eines Feldeffekt-Gassensors mit einem floatenden Gate und vertikalem Auslesetransistor für die Messung von Gaskonzentrationen vor und beschäftigt sich mit dessen Verwirklichung und der Entwicklung eines Herstellungsprozess für einen solchen Sensor. Erstmals wird ein Gassensor, der auf dem Prinzip der Feldeffekttransistoren mit Luftspalt basiert, komplett am Institut für Nanotechnologie und Mikrosystemtechnik der Universität der Bundeswehr hergestellt. Messungen an einem ersten Prototyp werden präsentiert.

Beginnend gibt die Arbeit einen Überblick der Ansätze, mit Hilfe eines Mikrosystems Gaskonzentrationen zu messen. Sensoren, die Transistoren direkt als Transducer einsetzen, erweisen sich als äußerst günstig hinsichtlich des geringen Energieverbrauchs, der schnellen Ansprechzeiten, des Potenzials der weiteren Skalierbarkeit, der Fähigkeit der Integration und schließlich der Aussicht auf geringe Herstellungskosten. Das Prinzip, Gaskonzentrationen mittels eines Transistors mit Luftspalt zu messen, besitzt gegenüber anderen GASFETs den Vorteil, nur Oberflächeneffekte zu messen. Das garantiert schnelle Ansprechzeiten, denn das Gas muss nicht erst in das Volumen eines Materials diffundieren. Das Konzept des entwickelten FGFET (Floating Gate FET) basiert auf dem HSGFET (Hybrid Suspended Gate Field Effect Transistor), einem Feldeffekttransistor mit Luftspalt. Diese Bauform erlaubt den Einsatz einer großen Menge sensitiver Materialien. Im Vergleich zeigt sich der FGFET gegenüber dem HSG-FET als aussichtsreicherer Kandidat, weil er die größere Empfindlichkeit bei geringerer Einsatzspannung besitzt. Der Grund dafür ist die große Gate-Kapazität, dank einem dünnen Gate-Oxid des Auslesetransistors.