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Werkstoffe und Sensorik 13________________________________________________________________________________________________________________________

3. Oberflächen

Prozesse an Oberflächen ändern die Oberflächen-Ladung,die Raumladungszone und die Konzentration atomarerTeilchen im Innern. Im letzten Fall sind Transportvor-gänge im Volumen erforderlich, die typischerweiseTemperaturen >500°C verlangen.

Fehlordnungsgleichgewicht mit OberflächenAn den Oberflächen adsorbierte Teilchen stehen sowohlmit der Gasphase als auch mit dem Innern desFestkörpers im Gleichgewicht.Ionosorptionsgleichgewicht:Bspl.: Adsorption von O- an Metalloxidoberfläche (ZnO)Frage: Abhängigkeit der Konzentration der adsorbiertenO- - Ionen von pO 2 ?

12

O2 g( ) + e' H( ) = O- s( ) (3.1)

12

mO2g( ) + he' H( ) = hO- s( ) (3.2)

\ /Befinden sich an räumlich verschiedenen Stellen mit unterschied-

lichen elektrostatischen Potentialen.

Analog zum Volumen:

m O- s( ) = mO -

0 kT ln G (3.3)

G für kleinere Bedeutungsgrade:

G =

Fehler!

(sonst: Aktivität)

12

mO 20 g( ) +

12

kT lnpO 2

pO 2

0 + m e'0 H( ) + kT ln

e' H( )[ ]e' H( )0[ ]

(3.4)

- qj H( ) = m O-0 s( ) + kT lnG - qj s( ) (3.5)

G = K pO 2

12 e' H( )[ ]exp q j s( ) - j H( )[ ] / kT{ } (3.6)

| | abh. v. pO 2 berechenbar aus Poison-Gleichung

Konzentrationsverlauf in RaumladungsrandzonenFür alle Teilchen i gilt:

hi = hi x( ) = hi •( ) (3.7)

hi = m i0 + kT lnci x( ) + ziqj = mi

0 + kT lnci •( ) (3.8)

kT lnci x( )ci •( )

= -zi qj (3.9)

Angewandt auf V M' und VX

⋅ :

V M'[ ] = V M

'[ ]•exp -qj / kT( ) (3.10)

V x⋅[ ] = V x

⋅[ ]•exp qj / kT( ) (3.11)

VM'[ ]•

= V x⋅[ ]•

(3.12)

(reiner, stöchiometrischer Kristall, Schottky-Fehlordnung)

Eingesetzt in Poisson-Gleichung

∂ 2j

∂x2 = -4pre

=4pe

VM'[ ]•

- V X⋅[ ]•( )Nq (3.13)

N: Zahl der Moleküle MX pro cm3.

Abb. 3.1.

14 Werkstoffe und Sensorik________________________________________________________________________________________________________________________

∂2j

∂x2 =4pe

VM'[ ]•

Nq exp -qj / kT( ) - exp qj / kT( )[ ](3.14)

Substitution

Y = qj / kT (3.15)

L =x

xD(3.16)

mit xD = ekTN / 8pq2 VM'[ ]•

(3.17)

∂2Y

∂L2 = sinh Y (3.18)

(xD : vergleichbar der Debye-Länge in der Debye-Hückel-Theorie: x >> DxD:j x( ) ª j •( ) = 0

1. Integration:

∂2Y∂L

= -2 sinhY 12 Y( ) (3.19)

(Randbedingung: Y •( ) = 0;∂Y∂L

•( ) = 0 )

2. Integration:

lnexp - 1

2 Y( ) + 1exp - 1

2 Y( ) - 1= L + ln

exp - 12 YO( ) + 1

exp - 12 YO( ) - 1

(3.20)

YO = Y (0)( )

Das Potential fällt annähernd exponentiell ab:

j = 1e jO für x = xD (3.21)

Die Oberflächenladung ist die Folge des Unterschieds derEnergie der Bildung von Leerstellen durch Verschiebungder Ionen aus dem Kristallinnern zur Oberfläche für beideDefekte. Einige Ionen des einen Typs sind in größererMenge überführt; daraus ergibt sich ein Unterschied derIonenkonzentration von M+ und X- an der Oberfläche.Dieser entspricht dem Konzentrationsunterschied derLeerstellen im Innern.

Dotierter Kristallz. B. NaCl + Ca: Der Ca-Gehalt bestimmt dieFehlordnung

CaNa⋅[ ] ª VNa

'[ ] (3.22)

2 Möglichkeiten:a) Ca bildet die Oberflächenladung

Die Situation entspricht der vorhergehenden, indemVX

⋅ durch CaNa⋅ ersetzt wird.

b) Bevorzugte Adsorption von VNa' an der Oberfläche.

Die Raumladung wird dann von CaNa⋅ gebildet.

Abhängig von der Beweglichkeit von CaNa⋅ ergeben sich

die in Abbn. 3.2. und 3.3. dargestellten Defektverläufe:

3.1. Reine Oberflächen-EffekteBei niedrigen Temperaturen, ohne Gleichgewichtsein-stellung mit dem Volumen, spielen die reinen Ober-

Abb. 3.2. CaNa⋅ beweglich

Abb. 3.3. CaNa⋅ unbeweglich


flächeneffekte die Hauptrolle. Änderungen des Zustandsder Oberflächen bewirken Änderungen der Konzentrationder elektronischen Ladungsträger an derOberfläche und in der Raumladungsrandzone von Halb-leitern.

Intrinsische Leitung wird durch Anwendung vonMaterialien mit großem Bandgap (2-3 eV) ausge-schlossen.Wegen der Anwendung in Umgebungsatmosphärespielen Metalloxide, insbesondere SnO2, aber auch ZnO,WO3 und TiO2 eine herausragende Rolle. Diese Oxidezeigen eine hohe Empfindlichkeit (ª 1 ppm) gegenübergiftigen Gasen, aber auch Sauerstoff. In Sensoren wirdentweder die stationäre Änderung des Leitwerts DG=G-GO oder der anfängliche Anstieg gemessen (Abb. 3.4.).

Die Oberfläche des Oxids ist partiell von ionosor-

biertem O2 aus der Atmosphäre bedeckt. Dieser Sauer-stoff wirkt als Oberflächen-Akzeptor und bindetElektronen von Donatoren innerhalb der Tiefe der Raum-ladungszone.

Reduzierende Gase erhöhen die Elektronendichtedurch Adsorption als Donatoren, die Elektronen in dasLeitungsband des Oxids injizieren oder durch Reaktionmit ionosorbiertem Sauerstoff, der gebundene Elektronenabgibt. In vielen Fällen spielen auch katalytischeOxidationsprozesse eine entscheidende Rolle. Edelme-talle sind gewöhnlich in geringen Mengen beigefügt oderan der Oberfläche abgeschieden.Typische Eindringtiefe der Raumladung: 10-5 cm.

AdsorptionsprozessePhysisorption: Moleküle werden an Festkörper-Oberflächen durch van der Waals-Kräfte gebunden (Abb.3.6.). Adsorptionsenergie: ª 10 kJ / mol ª 0,1 eV /Molekül.Chemisorption: Ähnliche Bindungsenergien wie beichemischen Reaktionen: ª 50 - 600 kJ / mol ª 0,5 - 6 eV/ Molekül. Oft dissoziieren Moleküle an der Oberfläche,bevor sie in einen Chemisorptionszustand übergehen.

Schematisches Bild der Physisorption und Chemi-sorption eines diatomaren Moleküls, z. B. H2 (Abb. 3.5.):Potentielle Energie als Funktion des Abstands Molekül-Oberfläche. Oberhalb Evac: Energie muß aufgewandtwerden. Unterhalb Evac: Energie wird frei.

Die Aktivierungsenergie EA für den Übergang ineinen chemisorbierten Zustand ist kleiner als die Disso-ziationsenergie in der Gasphase EDISS. EA ist typi-scherweise thermisch verfügbar, kann aber auch durchBestrahlung (Licht, Partikel) aufgebracht werden.

Dissoziation kann auch durch einen separatenKatalysator erfolgen (z. B. beheizter Metalldraht). Dannfolgt das Atom der Kurve (b) ohne weitere Aktivierung.

Abb. 3.4. Ursprung der Van der Waals Kraft.

Abb. 3.4.

Abb. 3.5. Evac: Energie für große Entfernung des Moleküls,ECH:Chemisorptionsenergie, Ep: Energie der Physisorption,EDiss: Dissoziationsenergie (Angaben bezogen auf 1 Atom)


Oberflächen weisen meist Plätze mit verschiedenenBindungseigenschaften für das Adsorbat auf. Atome inEck-Positionen mit weniger nächsten Nachbarn sindbevorzugte Plätze für Adsorption und Reaktion.

Chemisorption ist oft irreversibel. Nach demAufheizen werden nicht die ursprünglichen chemischenMoleküle desorbiert, sondern Produkte der Oberflächen-Reaktionen.

Schema des verschiedenen adsorbierten und gittergebun-denen Sauerstoffs: Abb. 3.7.

Energieunterschied zwischen 12 O2 (gas) und 1

2 O2 ,ads- : ª

140 kJ / mol und zwischen Oads-- und Olat

-- : ª 2000 kJ /mol.

Das adsorbierte O– –-Ion ist nicht stabil und reagiertsofort oder füllt eine Sauerstoff-Leerstelle auf.

Niedrige Temperaturen: Sauerstoff ist als molekularesIon chemisorbiert (O2 ,ads

- ). Mit steigender Tempetatur (ª450°C) überwiegt Oads

- :

O2 ,ads- + e- = 2Oads

- (3.23)

Die elektronische Verarmung nimmt zu.Die Elektronenaffinität von Oads

- : übersteigt die desO2 ,ads

- . Beide sind elektrophil und reagieren mit C-C-Bindungen von Adsorbaten durch Wegnahme vonElektronen.

Gittersauerstoff (O– –) ist nucleophil und reagiert mit

aktiviertem Wasserstoff (Kohlenwasserstoff).

KatalyseNachweis reduzierender Gase durch halbleitende Oxidemeist durch katalytische Oxidation des adsorbiertenGases, die in einer Reduktion der Oxid-Oberflächeresultiert.

Oberflächen-ZuständeElektronische Oberflächen-Zustände sind durch Energie-Niveaus gekennzeichnet, die Elektronen aufnehmenkönnen und an der Oberfläche der Halbleiter lokalisiertsind. Sie sind mit Energien innerhalb der Bandlücke vonbesonderer Bedeutung.Erzeugung von Oberflächen-Zuständen:- Ende des periodischen Potentials oder Dangling-Bonds

(bereits bei reinen Oberflächen)- Volumen-Defekte und Verunreinigungen nahe der

Oberfläche- Adsorbierte Atome oder MoleküleOberflächen-Zustände haben die Eigenschaften vonDonatoren und Akzeptoren. Sie beeinflussen dieLadungsträger-Dichte nahe der Oberfläche und induzie-ren Raumladungsschichten.

Beispiel n-leitendes Oxid: Oberflächen-Donatorensind adsorbierter atomarer Wasserstoff oder Sauerstoff-Leerstellen nahe der Oberfläche.Oberflächen-Akzeptoren sind ionosorbierter Sauerstoff.

Raumladungs-SchichtenRaumladungs-Schichten liegen an einer Halbleiter-

Abb. 3.7. Schema des verschiedenen adsorbierten undgittergebundenen Sauerstoffs. Abb. 3.8. Raumladungsschichten eines ZnO-Einkristalls.


Oberfläche stets vor, wenn die Verteilung der elektro-nischen Niveaus an der Oberfläche von der im Innernabweicht.Ausnahme: Fermi-Niveau hat genau die Lage, die derOberflächen-Neutralität entspricht.Raumladungsschichten eines ZnO-Einkristalls: Abb. 3.8.

Mit wachsender Beladung mit negativ geladenemSauerstoff wächst das Oberflächen-Potential VS. Dabeierhöht sich die Energie des Oberflächen-Akzeptor-Niveaus ESA zusammen mit dem Band an der Oberfläche.

Schließlich erreicht das Akzeptor-Niveau das Fermi-Niveau, und die Besetzungs-Wahrscheinlichkeit nimmtab. Das Oberflächen-Potential ist fixiert, und die Ladung-sdichte in Oberflächen-Zuständen ist begrenzt und damitauch die Bedeckung durch chemisorbierten Sauerstoff(Weisz-Limit)

Das maximale Oberflächen-Poten-tial VSm ist durch den Abstand Fermi-Niveau - Oberflächen-Akzeptor-NiveauESA für die Flachband-Situationgegeben.

Der Übergang O2 ,ads- zu Oads

- mitsteigender Temperatur erhöht dieElektronenaffinität von 0.45 auf 1.47eV. Eine höhere maximale Bedeckungist nach dem Übergang erwartet.Abschätzung der maximalen Ober-flächen-Bedeckung nach der Schott-kyschen Theorie der Verarmungszonemit Donatoren (Konzentration N), diealle innerhalb einer Tiefe d ionisiertsind:

Bedeckung q = NdDas Oberflächen-Potential folgt aus der2. Integration

VS = qN/2ee 0( )d2 = q/2ee 0( )q d

= q/2Nee 0( )q2 (3.24)

für ein maximales Oberflächen-Potential VSm ergibt sichdie maximale Tiefe

dm = N- 12 2ee 0VSm / q( )

12 (3.25)

und die maximale Oberflächen-Bedeckung mit chemi-sorbiertem Sauerstoff

(Weisz-Limit) (3.26)

Für eine Abschätzung wird die Verschiebung des Fermi-Niveaus mit der Änderung der Donator-Konzentrationund Temperatur vernachlässigt, und das maximaleOberflächen-Potential VSm wird mit ª 1 V angenommen.Mit einer Dielektrizitätskonstanten von 10 (für SnO

2 oder

ZnO) folgt dann

dm = N-12 3,3x103cm (3.27)

qm = N12 3,3x103cm -2 (3.28)

(N in cm-3). Nur 10-3 bis 10-2 Monolagenchemisorbierten Sauerstoffs sind - selbst bei hohenSauerstoff-Partialdrucken - vorhanden.Für den Fall einer Donator-Akkumulation unterhalb derOberfläche gilt Abb. 3.10.

Eine hohe Oberflächen-Leitfähigkeit existiert selbst

Abb. 3.9.

Abb.. 3.10.


ohne Gas. Die Verarmungszone wird mit wachsenderDonator-Konzentration N zur Oberfläche hin zusammen-gezogen, und eine höhere Bedeckung qm kannchemisorbiert werden. Die Akkumulation kann durchErhitzen in einem reduzierenden Gas erreicht werden. Beihoher Temperatur können auch die Donatoren aus demInnern zur Oberfläche hin wandern (unter dem Einflußdes Feldes der Raumladungszone). Schließlich kann diedem Sauerstoff ausgesetzte Oberfläche als Senke fürSauerstoff-Leerstellen dienen.

Auf p-leitenden Oxiden injiziert der adsorbierteSauerstoff Löcher. Die resultierende Akkumulation vonLöchern erzeugt eine hohe Ladungsdichte (im Gegensatzzur Verarmungszone), und eine hohe Bedeckung istmöglich.

Oberflächen-LeitungVolumen- und Oberflächen-Leitwerte sind parallel:

G = i / U = GB + GS (3.29)

T = const : GB = const.

Oberflächen-Exzeß-Elektronendichte:

DnS = n x( ) - nB( )Ú dx (3.30)

Oberflächen-Leitfähigkleit:

Ds = qm e ,SDnS (m: Beweglichkeit) (3.31)

Für dünne Filme:Schicht-Leitwert ("Sheet conductance")

sS = GSlw

(3.32)

l : Länge, w : Breite der ElektrodenDie hohe Gasempfindlichkeit poröser, gesinterter Proben,die beträchtlich dicker als die Raumladungszone sind, istdas Ergebnis von Verarmungszonen senkrecht zumStrompfad an Korngrenzen. Die Leitfähigkeit dieserBarrieren hängt von der Sauerstoff-Bedeckung q derGrenzschichten ab.

Elektronen-Konzentration an der Komgrenze:

ng = nB -qV S / kT[ ] (3.33)

Reduzierendes Gas erhöht die Elektronenkonzentrationan der Grenzfläche und damit die Leitfähigkeit im Fallevon Reaktionen mit adsorbiertem (oder gittergebunde-nem) Sauerstoff. Adsorbierte Donatoren haben dengleichen Effekt und erniedrigen das Oberflächen-Potential VS (Abb. 3.11.).

Empfindlichkeit: Relative Änderung der Leitfähigkeit beiÄnderung der Gaszusammensetzung.

Auftragung der Empfindlichkeit als Funktion derTemperatur: Es ergeben sich glockenförmige Kurven.Verschiedene Gase erzeugen unterschiedliche Maxima,die eine Trennung durch geeignete Wahl der Sensor-Temperatur erlauben.Beispiele:N-leitende Halbleiter werden hauptsächlich für denNachweis reduzierender Gase in der Luft verwendet.Wenige ppm reichen aus, um eine meßbare Erhöhung derOberflächen-Leitung zu erzeugen.

Abb. 3.11.


Dünn-Film-SnO2 -SensorIntegration des Oxid-Films (300-400°C) in Si-Technologie bei Raum-Temperatur

Abb. 3.14.

CO-Sensor (Empfindlichkeit 50 - 1000 ppm). Das CO-Signal ist um einen Faktor 8-3 höher als das das H2. StarkeWechselwirkung mit NO2.

Abb. 3.13.

Dick-Film-SnO2-SensorFigaro-Sensor (seit 1968)

Abb. 3.12.


Dünn-Film Phthalocyamin-SensorSensor für Halogen-haltige Gasmoleküle.Der Sensor enthält einen Metall-Katalysator bei hohenTemperaturen, der räumlich vom sensitiven Film getrenntist. CuPc ist auf die Elektroden aufgedampft. "Erholung"des Pc-Films durch Aufheizen auf 150°C.Beobachtung des Anstiegs während der ersten 5 s.

Abb. 3.15.

Abb. 3.16.


Abb. 3.17.


3.2. Grenzflächen-Feldeffekte

Feldeffekt-Sensoren (Abb.3.18.) sindi) Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensatoren

(MIS-Strukturen)ii) Feldeffekt-Transistoren (MISFETS)

Der HL ist normalerweise Si, der Isolator SiO2 (MOS-Strukturen). Für die Gasempfindlichkeit von Feldeffekt-Strukturen sind die beiden entscheidenden Parameter dasFlachband-Potential VFB einer MIS-Struktur und die

Threshold-Spannung VT eines MISFETS.i) Die Flachband-Spannung ist die Potentialdifferenz

zwischen dem Metall und dem Halbleiter, wenn dieEnergie-Bänder des HL an der Oberfläche flach sind.Schematische Darstellung ohne und mit Ladungen aufdem Isolator (Abb. 3.19).

VFB =WM - WS

q-

Qi

e idi (3.34)

WM,S: Austrittsarbeit des Metalls, Halb-leiters

Qi: Äquivalente Isolatorladung (pro Ein-heitsfläche) an der Isolator/Halbleiter-Grenzfläche

di: Isolator-Dicke

Die Flachband-Spannung hängt vom Unter-schied der Antrittsarbeit zwischen Metall undHalbleiter ab.

ii) Die Threshold-Spannung ist die Gate-Spannung, bei der die Konzentration derElektronen gleich der Volumen-Konzen-tration der Löcher (= Akzeptor-KonzentrationNA) ist (Abb. 3.20.).

Zur Flachbandspannung ist der Span-nungsabfall über den HL und der Span-nungsabfall über dem Isolator, der durch dieLadung in der Verarmungszone verursachtwird, hinzuzufügen.Ladung der Verarmungszone:- qNAwd , mit

wd =es 4jBqNA

(3.35)Abb. 3.18.

Abb. 3.19.


2jB : Spannungsabfall über der Verarmungszone.Obwohl die Elektronen-Konzentration an der HL-Isolator-Grenzfläche NA ist, trägt sie nicht wesentlich zurGesamtladung in der Oberflächen-Region des Halbleitersbei, da sie sehr schnell abfällt.Der zusätzliche Spannungsabfall über dem Isolator istqNAwddi / e i .

Damit gilt

VT =WM - WS

q-

Qie i

d i + 2jB +die i

4jBeSqNA (3.36)

VT hängt vom Unterschied der Antrittsarbeiten desMetalls und des Halbleiters ab.

Für VD ≥ VG - VT gilt (ohne Ableitung, s. Literatur)

ID =und2L

Ci VG - VT( )2 (3.37)

un: Elektronenbeweglichkeit, L: Länge des leitendenKanals, d: Breite des Kanals, Ci: Kapazität des Isolators(pro Einheitsfläche).

Eine Änderung in VT verschiebt damit die ID(VG)-Kurve parallel der Spannungskoordinate.

Gleichermaßen verschiebt eine Änderung in VFB dieC(V)-Kurve entlang der Spannungskoordinate, da C von(V- VFB) abhängt (siehe Literatur).

Die Kapazität C besteht aus der Serienschaltung derIsolator-Kapazität Ci und der Kapazität der Raumla-dungszone des Halbleiters CD:

1C

=1Ci

+1

CD(3.38)

Bei VFB ist die Flachbandkapazität

CFB =1

C i+

1CD

(3.39)

mit

CD = eSq2NA

2kTeS(3.40)

Folgerung: Jede chemisch induzierte Änderung von VFB

oder VT verschiebt die elektrische Charakteristik entlangder Spannungskoordinate. Diese Änderungen könnenhervorgerufen werden durch- Änderungen der Ladung des Isolators (DQi )- Änderungen der dielektrischen Konstanten des

Isolators (De i )- Änderungen der Isolator-Dicke (Ddi )- Änderungen des Unterschieds der Austrittsarbeiten

(D WM - WS( ))Die Prinzipien gelten auch für ionensensitive Feldeffekt-Sensoren, wobei DV durch einen Spannungsabfall durchLadungen in dem Elektrolyt-Halbleiter-Grenzschichtbe-reich verursacht wird.

Beispiel: Wasserstoff-sensitives Pd-GateDie an der Grenzfläche Pd/Isolator vorhandenenWasserstoffatome verursachen eine Änderung von WM -WS. Die Wasserstoffatome wirken als Dipole und führenzu einem Spannungsabfall DV an der Metall-Isolator-Grenzfläche

DV =Pe0

n i (3.41)

P: Dipolmoment eines adsorbierten Wasserstoffatoms,ni:: Zahl der Wasserstoffatome pro Flächeneinheit.Die Differenz der Austrittsarbeit zwischen dem Metallund dem HL nimmt um qDV ab. Damit gilt:

DVFB = DVT = -DV (3.42)

Es kommt zu einer negativen Verschiebung derelektrischen Charakteristik entlang der Spannungskoor-dinate eines MIS-Kondensators und MISFETs.DV ändert tatsächlich die Energiebarriere zwischen demMetall und dem Isolator (Abb. 3.21.)

Mit dem Bedeckungsgrad q i der Wasserstoffatome ander Grenzfläche, d.h. dem Bruchteil der besetztenAdsorptionsplätze, gilt

Abb. 3.20.


DV = DV maxq i (3.43)

(unter Annahme einer Proportionalität zwischen derSpannungsverschiebung und der Bedeckung.)

Die Zahl der an der Oberfläche verfügbaren Wasserstoff-Atome ist auch durch chemische Reaktionen bestimmt,z.B. die spontane Rekombination zu H2 oder (in Luft) dieBildung von H2O: Abb. 3.22.

Es besteht eine logarithmische Spannungsverschiebungmit pH2 Folglich

q i = K1 lnpH2 + K2 (3.44)Temkin-Isotherme

Die Temkin-Isotherme ist von Adsorptions-Phänomenenbekannt, wenn die Adsorptionswärme linear mit derBedeckung abnimmt.

Es gilt:

DV = DV maxK pH2 / pO2

1+ K pH 2 / pO2

(3.45)

DVmax ist ª 0,5 V.

Thermodynamisches Gleichgewicht ´ stationäre Bedin-gungenDie pH2 -Abhängigkeit von q i ist in Sauerstoffunterschiedlich von der in einer inerten Atmosphäre. InSauerstoff ist die verfügbare Menge Wasserstoff sowohldurch die Wasserstoff-Konzentration als auch dieWasser-Produktion bestimmt. Bestimmend ist nicht dasthermodynamische Gleichgewicht sondern die chemischstationäre Oberflächen-Reaktion (Abb. 3.24.):

H2 2Ha

O2 Æ 2Oa

2Ha + Oa Æ H2 O

Gate-Materialieni) Kontinuierliche Metall-Filme

MOS-Strukturen haben typischerweise Metall-Gates> 100 nm. Wasserstoffatome aus Wasserstoff-molekülen, die an der katalytischen Metalloberfläche

Abb. 3.21.

Abb. 3.22.

Für Wasserstoff in Sauerstoff gilt:

Abb. 3.23.


gebildet werden, diffundieren durch das Metall undbilden eine Wasserstoffschicht an der Metall-Isolator-Grenzfläche. Der Wasserstoff wird so adsorbiert, daßsich eine Dipolschicht bildet. Beispiele solcherMetalle: Pd, Pt, Ir, Rh, ...

Moleküle, die bei der Arbeitstemperatur (< 250 °C)Wasserstoff abgeben können, sollten ebenfallsdetektierbar sein, z. B. Alkohole, Acetylen, Ethylen,H2S. Die katalytische Aktivität der Metalloberflächeist bedeutsam.

Bei 140 °C hat Pt eine höhere katalytische Aktivitätfür den Nachweis von Ethanol als Pd: Abb. 3.25.

ii) Diskontinuierliche Metall-FilmeWasserstoff von NH3-Molekülen wird von demMetall nicht absorbiert (obwohl bekannt ist, daß NH3

an chemischen Reaktionen mit Sauerstoff an

katalytischen Metall-Oberflächen beteiligt ist). Dünnediskontinuierliche Metall-Gates haben dagegen eineNH3-Empfindlichkeit. Möglicherweise erhöhteAktivität an den Grenzen oder kapazitive Kopplungder Oberflächenpotentialänderung des Metalls mitdem Halbleiter.

iii) Modifikation der EdelmetalloberflächeDie Abscheidebedingungen für Polypyrrol sind gutbekannt; PP ist ein relativ stabiles Polymer. Es kanndurch elektrochemische Oxidation aus Pymol gebildetwerden und ist ein mäßig guter Leiter (s=10-2-10-1W-

1cm-1). Es läßt sich leicht mit anderen (organischen)Verbindungen modifizieren, um die Selektivität zuvariieren. PP bildet einen Ohmschen Kontakt aufEdelmetallen.Die hohe Empfindlichkeit gegenüber Alkohol undWasser wird der Tendenz des PP zugeschrieben,Wasserstoffverbindungen zu bilden.

NO2-Empfindlichkeit wurde durch Abscheidung von Pb-Phthalocyanin erreicht.

Vorteile von Feldeffekt-Sensoren:Fabrikation mit Standard-IC-Technologie; Integrationeindes Heizers und Temperatur-Sensors auf demselbenChip. Herstellung in großer Stückzahl auf einem einzigenSi-Wafer.

Probleme:Hysterese durch Wasserstoff-Traps auf der SiO2-Seite derPd/SiO2-Grenzfläche (wasserstoff-induzierte Drift, HID).Vermeidung durch zusätzlichen Isolator (Pd-Al2O3-SiO2-Si). Bildung von Blistern bei hoher Wasserstoff-Konzentration (wahrscheinlich durch Phasenübergang inPd-Schicht. (Abhilfe: Pd > 400 nm).Abb. 3.25.

Abb. 3.24.


Tab. 3.1. Empfindlichkeit dünner Pt- und Pd-Gate MOS-Transistoren auf einkomponentigeGase bei 3 verschiedenen Temperaturen.

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