DE10062044B4

DE10062044B4 - Ion-sensitive semiconductor sensors with HEMT structure

Info

Publication number: DE10062044B4
Application number: DE2000162044
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Ambacher; Gerhard Dr.rer.nat. Müller; Ralph Dipl.-Phys. Neuberger; Martin Stutzmann
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2000-12-13
Filing date: 2000-12-13
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: DE10062044A1

Abstract

Ionensensitiver Halbleitersensor, mit
einer Schichtfolge, die in Form einer HEMT-Struktur ausgebildet ist,
wobei jeweils mindestens ein Source-Anschluss (2) und ein Drain-Anschluss (3) der HEMT-Struktur durch die Schichtfolge miteinander gekoppelt sind, und
einer Vorrichtung, die der Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der Schichtfolge dient, wobei
die Schichtfolge eine Heterostruktur (1, 4, 5; 21, 22, 23) aus Gruppe-III-Nitriden umfasst.Ion-sensitive semiconductor sensor, with
a layer sequence which is formed in the form of a HEMT structure,
wherein at least one source terminal (2) and a drain terminal (3) of the HEMT structure are coupled together by the layer sequence, and
a device which serves to determine the electrical conductivity of the layer sequence, wherein
the layer sequence comprises a heterostructure (1, 4, 5, 21, 22, 23) of group III nitrides.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen ionensensitiven Halbleitersensor mit HEMT-Struktur. Der ionensensitive Halbleitersensor ist insbesondere zur Detektion von Medien mit verschiedener Polarität und mit verschiedenem pH-Wert geeignet.The The present invention relates to an ion-sensitive semiconductor sensor with HEMT structure. The ion-sensitive semiconductor sensor is in particular for Detection of media with different polarity and with different pH suitable.

Halbleitersensoren, die in der Art von Feldeffekttransistoren aufgebaut sind, werden beispielsweise zur Messung bzw. Detektion in Flüssigkeiten eingesetzt, um bestimmte Anteile oder Eigenschaften der Flüssigkeit bzw. des Mediums zu bestimmen. Beispielsweise ist es für die Wartung von Kraftfahrzeugen oder auch Luftfahrzeugen immer wieder notwendig, den Zustand flüssiger Betriebsmittel, wie z.B. Hydraulik- bzw. Motoröl, zu bestimmen. Bei derartigen Betriebsmitteln, zu denen insbesondere auch Bremsflüssigkeiten gehören, muss in bestimmten Intervallen die Qualität und Funktionsfähigkeit überprüft werden.Semiconductor sensors, which are constructed in the manner of field effect transistors are For example, used for measuring or detection in liquids to certain Shares or properties of the liquid or the medium to determine. For example, it is for the maintenance of motor vehicles or aircraft is always necessary, the state of liquid resources, such as. Hydraulic or engine oil, to determine. In such resources, in particular also brake fluids belong, The quality and functionality must be checked at certain intervals.

Halbleitersensoren können beispielsweise eingesetzt werden, um Defekte in Zuleitungen oder Flüssigkeitsbehältern zu detektieren sowie durch in-situ-Messungen eine ständige oder intervallgeregelte Überwachung in der Art eines Online-Monitorings oder eines Service-on-Demand der Betriebsmittel zu gewährleisten.Semiconductor sensors can used, for example, to defects in supply lines or liquid containers detect as well as by in-situ measurements a permanent one or interval-controlled monitoring in the form of online monitoring or service-on-demand to ensure the equipment.

Im Stand der Technik sind unterschiedliche Arten von Feldeffekttransistoren bekannt, die als Sensoren eingesetzt werden. In dem Artikel „A Generalized Theory of an Elektrolyte-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor", Clifford D. Fung, et. al., IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-33, No. 1 January 1986, wird beispielsweise ein EISFET als pH-Sensor verwendet, wobei die physikalischen Grundlagen beschrieben werden.in the State of the art are different types of field effect transistors known, which are used as sensors. In the article "A Generalized Theory of an Electrolyte Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor ", Clifford D. Fung, et. al., IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-33, no. 1 January 1986, for example, an EISFET is used as a pH sensor, wherein the physical fundamentals are described.

Der Artikel von P. Bergfeld, The Impact of MOSFET-Based Sensors, Third International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, June 11-14, 1985, beschreibt die Arbeitsweise von MOS-Feldeffekttransistoren unterschiedlicher Bauart zur Messung von physikalischen und chemischen Parametern.Of the Article by P. Bergfeld, The Impact of MOSFET Based Sensors, Third International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, June 11-14, 1985, describes the operation of MOS field effect transistors different design for the measurement of physical and chemical parameters.

Die nachveröffentlichte Druckschrift DE 100 32 062 zeigt einen Halbleiter-Gassensor, der analog einem Feldeffekttransistor aufgebaut ist und eine Folge von Halbleiterschichten sowie eine Quelle und eine Senke zur Strommessung umfasst. Der Gassensor weist eine HEMT-Struktur auf, wobei die Halbleiterschichten durch eine Gruppe-III-Nitrid-Heterostruktur gebildet sind.The post-published publication DE 100 32 062 shows a semiconductor gas sensor, which is constructed analogously to a field effect transistor and comprises a series of semiconductor layers and a source and a sink for current measurement. The gas sensor has a HEMT structure, wherein the semiconductor layers are formed by a group III-nitride heterostructure.

Das US-Patent Nr. 5,151,110 offenbart einen selektiven chemischen Sensor mit einem piezoelektrischen Substrat, auf dessen Oberfläche eine Schicht von Zeolith-Kristallen aufgebracht ist. Auf dem piezoelektrischen Substrat befindet sich ein Interdigital-Transducer.The U.S. Patent No. 5,151,110 discloses a selective chemical sensor with a piezoelectric substrate having on its surface a Layer of zeolite crystals is applied. On the piezoelectric Substrate is an interdigital transducer.

US-Patent Nr. 5,192,987 zeigt eine Heterostruktur mit Gruppe-III-Nitriden, die als HEMT-Struktur ausgebildet sind.US Patent No. 5,192,987 shows a heterostructure with group III nitrides, which are designed as a HEMT structure.

2 zeigt als Beispiel einen bekannten, aus Silizium prozessierten Sensor, der als pH-sensitiver Feldeffekttransistor aufgebaut ist. Es handelt sich dabei um einen ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor). Diese Art von Sensoren detektiert die Säurestärke von Flüssigkeiten über die Wechselwirkung von Protonen der Flüssigkeit mit der auf die Gate-Fläche aufgebrachten isolierenden Schicht, wie z.B. SiO₂, Si₃N₄, usw. Derartige Sensoren werden resistiv oder kapazitiv ausgelesen. Auf einem Grundkörper 100 aus p-Silizium ist ein Source-Anschluss 101 und ein Drain-Anschluss 102 aufgebracht. Zwischen dem Source-Anschluss 101 und dem Drain-Anschluss 102 befindet sich eine isolierende Gate-Schicht 103. Jeweils unter den Source- und Drain-Anschlüssen 101 bzw. 102 befinden sich Bereiche 104 von n⁺-Si. 2 shows as an example a known, silicon-processed sensor, which is constructed as a pH-sensitive field effect transistor. It is an ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor). This type of sensor detects the acid strength of liquids through the interaction of protons of the liquid with the insulating layer applied to the gate surface, such as SiO ₂ , Si ₃ N ₄ , etc. Such sensors are read resistively or capacitively. On a basic body 100 p-type silicon is a source terminal 101 and a drain connection 102 applied. Between the source connection 101 and the drain port 102 there is an insulating gate layer 103 , In each case under the source and drain connections 101 respectively. 102 there are areas 104 from n ⁺ -Si.

Die bekannten Sensoren haben jedoch den Nachteil, dass sie keine Wechselwirkungen mit polaren Flüssigkeiten zeigen. Weiterhin sind sie nur bedingt unter rauhen Umweltbedingungen einsetzbar, was zu einer aufwendigen Aufbau- und Verbindungstechnik führt. Weiterhin ist mit den bekannten Sensoren keine Fernabfrage möglich. Hinzu kommt noch, dass die Ströme, die das Messsignal tragen, im Falle des bekannten ISFET relativ klein und damit schwierig zu verarbeiten sind. Aufgrund der Materialeigenschaften von Silizium kann der ISFET nur bedingt chemisch wie mechanisch belastet werden, was zu der oben bereits angesprochenen, aufwendigeren Aufbau- und Verbindungstechnik führt.The However, known sensors have the disadvantage that they have no interactions with polar liquids demonstrate. Furthermore, they are only conditionally under harsh environmental conditions used, resulting in a complex assembly and connection technology leads. Furthermore, remote monitoring is not possible with the known sensors. in addition is still coming, that the streams, which carry the measuring signal, in the case of the known ISFET relative small and therefore difficult to process. Due to the material properties Of silicon, the ISFET can only conditionally chemical as mechanical be charged, which leads to the above-mentioned, more complex construction and connection technology leads.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen ionensensititven Halbleitersensor zu schaffen, der Medien bzw. Flüssigkeiten mit verschiedenen Dipolmomenten und verschiedenen pH-Werten detektieren und unterscheiden kann und dabei kostengünstig und robust hergestellt werden kann.It Therefore, the object of the present invention, an ionensititven Semiconductor sensor to create the media or liquids with different Detect and distinguish dipole moments and different pH values can and is inexpensive and robust.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den ionensensitiven Halbleitersensor gemäß Patentanspruch 1 und den ionensensitiven Halbleitersensor gemäß Patentanspruch 2. Weitere Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.These Task is solved by the ion-sensitive semiconductor sensor according to claim 1 and the Ion-sensitive semiconductor sensor according to claim 2. Further Aspects and details of the invention will be apparent from the dependent claims, the Description and the drawings.

Der erfindungsgemäße ionensensitive Halbleitersensor umfasst eine Schichtfolge, die in Form einer HEMT-Struktur (High Electron Mobility Transistor) ausgebildet ist, wobei jeweils mindestens ein Source-Anschluss und ein Drain-Anschluss der HEMT-Struktur durch die Schichtfolge miteinander gekoppelt sind, und mit Mitteln zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der Schichtfolge, wobei die Schichtfolge eine Heterostruktur aus Gruppe-III-Nitriden umfasst. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist anstatt der Source- und Drain-Anschlüsse ein Oberflächenwellenfilter zum Auslesen eines Messsignals vorgesehen.Of the inventive ion-sensitive Semiconductor sensor comprises a layer sequence, which in the form of a HEMT structure (High Electron Mobility Transistor) is formed, each case at least one source terminal and a drain terminal of the HEMT structure through the Layer sequence are coupled together, and means for determining the electrical conductivity the layer sequence, wherein the layer sequence of a heterostructure Group III nitrides includes. According to one Aspect of the invention is a surface acoustic wave filter instead of the source and drain terminals provided for reading a measurement signal.

Durch die Erfindung ist es möglich, einen polaritäts- und pH-Wert-empfindlichen Flüssigkeitssensor bzw. Gassensor einfach aufzubauen. Insbesondere durch die Wahl der Gruppe-III-Nitride als Sensormaterialien zeichnet er sich auch dadurch aus, dass er Stresseinwirkungen, insbesondere chemischem und mechanischem Stress, ausgesetzt werden kann. Weiterhin ist eine Signalaus wertung mittels Fern- bzw. Funkabfrage leicht zu integrieren. Mit dem Sensor können z.B. Einlagerungen von Wasser in Ölen oder Bremsflüssigkeiten über die Bestimmung der polaren Anteile der Flüssigkeit festgestellt werden. Ebenso ist in den zu messenden Medien die Säurestärke durch Messung des pH-Wertes bestimmbar.By the invention it is possible a polarity and pH-sensitive liquid sensor or gas sensor easy to set up. In particular, by the choice of He also distinguishes group III nitrides as sensor materials that he has stress effects, especially chemical and mechanical Stress, can be suspended. Furthermore, a Signalaus evaluation easy to integrate by means of remote or radio inquiry. With the sensor can e.g. Storage of water in oils or brake fluids over the Determination of the polar components of the liquid can be determined. Likewise, in the media to be measured, the acidity can be determined by measuring the pH.

Vorteilhafterweise ist die oberste Schicht der Schichtfolge bzw. die Gate-Oberfläche derart ausgestaltet, dass sie während der Messung in direktem Kontakt mit dem zu messenden Medium steht. D.h., die Gate-Fläche ist in dieser besonderen Ausgestaltung der Erfindung weder mit einer isolierenden Schicht bedeckt noch metallisiert.advantageously, is the uppermost layer of the layer sequence or the gate surface in such a way that they designed during the measurement is in direct contact with the medium to be measured. That is, the gate area is in this particular embodiment of the invention neither with a insulating layer still covered metallized.

Bevorzugt hat die Schichtfolge oder mindestens eine Schicht der Schichtfolge piezoelektrische Eigenschaften. Durch die piezoelektrischen Eigenschaften des Sensormaterials kann das Messsignal z.B. auch in Form von Oberflächen wellen ausgelesen werden. Dadurch ist es insbesondere möglich, eine Fernabfrage zu realisieren.Prefers has the layer sequence or at least one layer of the layer sequence piezoelectric properties. Due to the piezoelectric properties of the sensor material, the measurement signal may e.g. also in the form of surface waves be read out. This makes it possible, in particular, to remote access realize.

Der ionensensitive Halbleitersensor kann z.B. einen oder mehrere Oberflächenwellenfilter zum Auslesen eines Messsignals umfassen. Beispielsweise ist zusätzlich eine Antenne zur Übertragung eines Messsignals an eine Auswertestation und/oder zur drahtlosen Fernabfrage eines Messsignals vorgesehen. Somit kann der Sensor über die Fernabfrage bedient werden, d.h. es sind keinerlei Zuleitungen bzw. Energieversorgungseinheiten direkt am Sensor notwendig. Beispielsweise kann eine Sender-Empfänger-Einheit, die vorteilhafterweise im Megahertz-Bereich arbeitet, in größerer Distanz zum Sensor aufgestellt werden. Der Sensor wird also in dieser Ausgestaltung der Erfindung direkt über Oberflächenwellenfilter ausgelesen.Of the ion-sensitive semiconductor sensor may e.g. one or more surface acoustic wave filters for reading out a measurement signal. For example, there is an additional one Antenna for transmission a measurement signal to an evaluation station and / or the wireless Remote inquiry of a measurement signal provided. Thus, the sensor on the Remote inquiry be served, i. there are no leads or Power supply units directly on the sensor necessary. For example may be a transceiver unit, which operates advantageously in the megahertz range, at a greater distance be placed to the sensor. The sensor is thus in this embodiment the invention directly above Surface acoustic wave filter read.

Vorteilhafterweise ist an einer Grenzfäche zwischen zwei Schichten der Schichtfolge ein zweidimensionales Elektronengas ausgebildet oder ausbildbar. Die Schichtfolge kann z.B. ein oder mehrere GaN-Schichten und ein oder mehrere Al-GaN-Schichten, insbesondere in wechselnder Folge, umfassen. Bevorzugt umfasst die Schichtfolge AlGaN, sie kann aber auch aus quaternären Verbindungen der Gruppe-III-Nitride hergestellt bzw. herstellbar sein. D.h., die Heterostruktur besteht aus einer abwechselnden Schichtfolge von verschiedenen Gruppe-III-Nitriden. Durch Polarisationseffekte entsteht an einer der Grenzflächen dieser Schichten ein zweidimensionales Elektronengas mit hoher Ladungsträgerkonzentration und hoher Ladungsträgerbeweglichkeit. Dadurch sind hohe Kanalströme im Transistor realisierbar, die eine Signalauswertung erleichtern.advantageously, is at a border between two layers of the layer sequence a two-dimensional electron gas educated or educable. The layer sequence may be e.g. one or a plurality of GaN layers and one or more Al-GaN layers, in particular in an alternating sequence. The layer sequence preferably comprises AlGaN, but it can also be quaternary Compounds of group III nitrides produced or produced be. That is, the heterostructure consists of an alternating layer sequence of different Group III nitrides. By polarization effects arises at one of the interfaces These layers are a two-dimensional electron gas with a high charge carrier concentration and high charge carrier mobility. As a result, high channel currents realized in the transistor, which facilitate a signal evaluation.

Insgesamt basiert der Sensor auf einer Heterostruktur aus Gruppe-III-Nitriden, die als Feldeffekttransistor mit hoher Ladungsträgerdichte und hoher Ladungsträgerkonzentration (HEMT: High Electron Mobility Transistor) aufgebaut ist. Prinzipiell wird dabei über zwei Kontakte, d.h. Source und Drain, auf der Oberfläche der Struktur eine Spannung angelegt, die zu einem Strom bzw. Kanalstrom zwischen diesen Kontakten führt. Dieser kann durch Potentialver änderungen auf der Oberfläche zwischen den Kontakten, d.h. auf der Gate-Fläche, verändert werden.All in all the sensor is based on a heterostructure of group III nitrides, as a field effect transistor with high carrier density and high carrier concentration (HEMT: High Electron Mobility Transistor) is constructed. in principle is about two contacts, i. Source and drain, on the surface of the Structure a voltage applied to a current or channel current between these contacts. This can be changed by Potentialver on the surface between the contacts, i. on the gate area, changed become.

Bevorzugt ist die oberste Schicht der Schichtfolge als GaN-Schicht oder als Al-GaN-Schicht ausgebildet. Vorteilhafterweise dient diese oberste Schicht zur Kontaktierung des zu messenden Mediums. D.h., die bevorzugten Gruppe-III-Nitride des Sensors gemäß dieser Ausführungsform sind abwechselnde Schichten von GaN und AlGaN, die in zwei verschiedenen Reihenfolgen, entweder N-Face oder Ga-Face, auf einem Substrat aufgewachsen sein können. Das Substrat kann z.B. aus Saphir, SiC oder (111)-Si hergestellt sein. Die Schichten können insbesondere epetaktisch mittels MBE-Verfahren bzw. Molecular Beam Epetaxy oder auch MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) aufgewachsen werden.Prefers the uppermost layer of the layer sequence is formed as a GaN layer or as an Al-GaN layer. Advantageously, this top layer serves for contacting of the medium to be measured. That is, the preferred Group III nitrides of the sensor according to this embodiment are alternating layers of GaN and AlGaN, which are in two different Sequences, either N-Face or Ga-Face, grown on a substrate could be. The substrate may e.g. made of sapphire, SiC or (111) -Si be. The layers can in particular epetactically by MBE method or Molecular Beam Epetaxy or MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) to be raised.

Vorteilhafterweise umfassen die Source- und Drain-Anschlüsse Schichtfolgen von Metallen, bevorzugt aus Ti/Al und/oder Ti/Au. Die Schichtfolge kann z.B. als HEMT-Struktur und/oder als MODFET-Struktur ausgestaltet sein.advantageously, the source and drain terminals comprise layer sequences of metals, preferably of Ti / Al and / or Ti / Au. The layer sequence may be e.g. when HEMT structure and / or designed as a MODFET structure.

Vorteilhafterweise ist eine weitere Nukleationsschicht vorgesehen, die die Schichtfolge von dem darunter liegenden Substrat trennt.advantageously, is provided a further nucleation layer, the layer sequence separates from the underlying substrate.

Bevorzugt ist eine Dichtung zur Trennung der Kontakte von dem zu messenden Medium vorgesehen. Dadurch sind während der Messung die Kontakte bzw. Source- und Drain-Anschlüsse nicht der Flüssigkeit ausgesetzt, sondern durch die Dichtung von der Gate-Fläche getrennt.Preferred is a seal for separation the contacts provided by the medium to be measured. As a result, the contacts or source and drain terminals are not exposed to the liquid during the measurement, but separated from the gate area by the seal.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der ionensensitive Halbleitersensor monolithisch aufgebaut.According to one preferred embodiment the ion-sensitive semiconductor sensor constructed monolithic.

Der Sensor hat gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eine auf der Gate-Fläche angeordnete funktionale Schicht zur Unterscheidung verschiedener Ionenarten und/oder zur quantitativen Bestimmung von Ionen. Durch das Aufbringen einer funktionalen Schicht auf die Gate-Fläche ist eine noch bessere Unterscheidung zwischen verschiedenen Ionensorten, sowie eine quantitative Bestimmung der Menge dieser Ionen möglich.Of the Sensor has according to one another preferred embodiment one arranged on the gate surface functional layer for distinguishing different types of ions and / or for the quantitative determination of ions. By applying a functional layer on the gate surface is an even better distinction between different ion types, as well as a quantitative determination the amount of these ions possible.

Diese Schichtsysteme können z.B. aus so genannten Ionentauschern, wie z.B. Ceolithen, gefertigt sein, die für bestimmte Ionen selektiv durchlässig sind. Diese Ionen können beispielsweise Na+, Mg+, Ca++ usw. sein. In diesem Fall treten nur die durchgelassenen Ionen auf die Gate-Fläche bzw. GaN-Fläche und lösen dort den Sensoreffekt aus.These Layer systems can e.g. from so-called ion exchangers, e.g. Ceolites, made be that for certain ions selectively permeable are. These ions can for example, Na +, Mg +, Ca ++, etc. In this case, only occur the transmitted ions on the gate surface or GaN surface and solve there the sensor effect.

Zur verbesserten Messung der Leitfähigkeit oder der pH-Werte von Flüssigkeiten kann beispielsweise eine funktionelle Schicht aus einer leitenden Keramik auf der Gate-Fläche aufgebracht sein. Eine derartige leitende Keramik kann z.B. ein Protonenleiter sein, wie er beispielsweise unter dem Namen ORMOCER^© bekannt ist. D.h., es ist möglich, eine funktionale Schicht aufzubringen, die für ionisierte Wasserstoffatome selektiv ist.For improved measurement of the conductivity or the pH values of liquids, for example, a functional layer made of a conductive ceramic may be applied to the gate area. Such a conductive ceramic may for example be a proton conductor, as it is known for example under the name ORMOCER ^© . That is, it is possible to apply a functional layer that is selective for ionized hydrogen atoms.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft beschrieben. Es zeigen:following the invention will be described by way of example. Show it:

1a einen Schnitt durch einen Halbleitersensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung, der ein Ga-Face HEMT ist; 1a a section through a semiconductor sensor according to a preferred embodiment of the invention in a schematic representation, which is a Ga-Face HEMT;

1b einen Schnitt durch einen Halbleitersensor gemäß der vorliegenden Erfindung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in schematischer Darstellung, der ein N-Face HEMT ist; 1b a section through a semiconductor sensor according to the present invention according to another preferred embodiment in a schematic representation, which is an N-Face HEMT;

2 eine schematische Schnittdarstellung, eines Silizium ISFET gemäß dem Stand der Technik; 2 a schematic sectional view of a silicon ISFET according to the prior art;

3 ein Beispiel einer Messung, die mit dem erfindungsgemäßen Halbleitersensor an Aceton durchgeführt wurde; 3 an example of a measurement carried out on the acetone with the semiconductor sensor according to the invention;

4 ein Beispiel einer Messung, die mit dem erfindungsgemäßen Sensor nacheinander an Propanol, Aceton und Methanol durchgeführt wurde; 4 an example of a measurement which was carried out successively with the sensor according to the invention on propanol, acetone and methanol;

5 ein Beispiel einer Messung, die mit dem erfindungsgemäßen Sensor in Flüssigkeiten mit unterschiedlichem pH-Wert durchgeführt wurde; 5 an example of a measurement, which was carried out with the sensor according to the invention in liquids with different pH;

6a einen erfindungsgemäßen Halbleitersensor gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, der ein Oberflächenwellen-Flüssigkeitssensor ist; 6a a semiconductor sensor according to the invention according to another preferred embodiment, which is a surface acoustic wave liquid sensor;

6b einen Halbleitersensor gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform, der ebenfalls ein Oberflächenwellen-Flüssigkeitssensor ist; 6b a semiconductor sensor according to another preferred embodiment, which is also a surface acoustic wave liquid sensor;

7 einen erfindungsgemäßen Halbleitersensor mit einer funktionalen Schicht gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform in einer schematischen Schnittansicht; und 7 a semiconductor sensor according to the invention with a functional layer according to another preferred embodiment in a schematic sectional view; and

8 eine weitere Ausführungsform der Erfindung in schematischer Schnittdarstellung, wobei beide Polaritäten auf einem Sensor ausgebildet sind. 8th a further embodiment of the invention in a schematic sectional view, wherein both polarities are formed on a sensor.

1a zeigt einen ionensensitiven Halbleitersensor 10 mit einer so genannten Ga-Face-Struktur. Eine oben gelegene Schicht 1 aus GaN trägt an ihrer Oberfläche einen Source-Kontakt bzw. -Anschluss 2 und einen Drain-Anschluss 3, die voneinander beabstandet sind. Unterhalb der oberen GaN-Schicht 1 schließt sich direkt eine AlGaN-Schicht 4 an. Unterhalb der AlGaN Schicht 4 und in direktem Kontakt dazu befindet sich wiederum eine GaN-Schicht 5, die eine untere GaN-Schicht bildet. D.h., die Source- und Drain-Anschlüsse 2 bzw. 3 sind auf einer Folge von Schichten 1, 4 und 5 angeordnet, die eine Heterostruktur aus Gruppe-III-Nitriden umfasst, die als HEMT-Struktur ausgebildet ist, d.h. als eine Struktur mit einer hohen Elektronenmobilität. 1a shows an ion-sensitive semiconductor sensor 10 with a so-called Ga-Face structure. A layer above 1 made of GaN carries on its surface a source contact or connection 2 and a drain connection 3 which are spaced apart from each other. Below the upper GaN layer 1 closes directly an AlGaN layer 4 at. Below the AlGaN layer 4 and in direct contact there is again a GaN layer 5 which forms a lower GaN layer. That is, the source and drain connections 2 respectively. 3 are on a series of layers 1 . 4 and 5 comprising a heterostructure of Group III nitrides formed as a HEMT structure, that is, a structure having a high electron mobility.

Zwischen der unteren GaN-Schicht 5 und der darüber liegenden AlGaN-Schicht 4 befindet sich ein zweidimensionales Elektronengas 6, das durch Polarisationseffekte an der Grenzfläche dieser beiden Schichten (4, 5) ausgebildet ist. Im Bereich des zweidimensionalen Elektronengases 6 besteht eine hohe Ladungsträgerkonzentration und eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit. Dadurch sind besonders hohe Kanalströme in dem Transistor realisierbar, die eine verbesserte Signalauswertung ermöglichen.Between the lower GaN layer 5 and the overlying AlGaN layer 4 there is a two-dimensional electron gas 6 caused by polarization effects at the interface of these two layers ( 4 . 5 ) is trained. In the area of the two-dimensional electron gas 6 there is a high charge carrier concentration and a high charge carrier mobility. As a result, particularly high channel currents can be realized in the transistor, which enable improved signal evaluation.

Die Flächenladungsdichte an der Grenzfläche zwischen der unteren GaN-Schicht 5 und der AlGaN-Schicht 4 ist sehr hoch und beträgt beispielsweise bei einer Temperatur von 20 °C bis zu 10¹³ cm^–2. Die Beweglichkeit der Ladungsträger kann bei dieser Temperatur beispielsweise bis zu 2000 cm²/Vs betragen. Da die Bewegung der Ladungsträger nur entlang der Grenzfläche und nicht senkrecht dazu möglich ist, spricht man von einem zweidimensionalen Elektronengas. Dieses zweidimensionale Elektronengas 6 befindet sich sehr nahe der Oberfläche der Struktur, z.B. in einem Abstand von weniger als 100 nm.The surface charge density at the interface between the lower GaN layer 5 and the AlGaN layer 4 is very high and is for example at a temperature of 20 ° C up to 10 ¹³ cm ^-2 . The mobility of the charge carriers can at this temperature, for example up to 2000 cm ² / Vs be. Since the movement of the charge carriers is only possible along the interface and not perpendicular to it, one speaks of a two-dimensional electron gas. This two-dimensional electron gas 6 is very close to the surface of the structure, eg at a distance of less than 100 nm.

Die obere GaN-Schicht 1 dient zur besseren Kontaktierung des zweidimensionalen Elektronengases 6 und trägt die Source- und Drain-Kontakte 2 bzw. 3, die aus einer Schichtfolge verschiedener Metalle bestehen. Diese Metalle sind beispielsweise Ti/Al, Ti/Au oder Ähnliches. Die nachfolgenden Schichten aus AlGaN und GaN führen durch Polarisationssprünge an der Grenzfläche zur Ausbildung des zweidimensionalen Elektronengases 6.The upper GaN layer 1 serves for better contacting of the two-dimensional electron gas 6 and carries the source and drain contacts 2 respectively. 3 , which consist of a layer sequence of different metals. These metals are, for example, Ti / Al, Ti / Au or the like. The subsequent layers of AlGaN and GaN lead by polarization jumps at the interface to form the two-dimensional electron gas 6 ,

Unterhalb der unteren GaN-Schicht 5 befindet sich eine für die Ga-Face-Struktur notwendige Nukleationsschicht 7 aus AlN. Die gesamte Schichtfolge wird von einem Substrat 8 getragen, wobei für das Substrat 8 verschiedene Materialien, beispielsweise mit hexagonaler Wurzitstruktur verwendet werden können, wie z.B. SiC, (111)-Si oder auch Saphir.Below the lower GaN layer 5 there is a nucleation layer necessary for the Ga-Face structure 7 from AlN. The entire layer sequence is from a substrate 8th supported, being for the substrate 8th various materials, such as hexagonal wurstite structure may be used, such as SiC, (111) -Si or sapphire.

Der Halbleitersensor 10 mit seiner hier gezeigten Ga-Face-Struktur entspricht einem Feldeffekttransistor ohne metallisierter Gate-Fläche, d.h. die Fläche zwischen dem Source-Kontakt bzw. Anschluss 2 und dem Drain-Kontakt bzw. Anschluss 3 ist die blanke Halbleiteroberfläche und nicht eine MOS oder Schottky-Diode.The semiconductor sensor 10 with its Ga-face structure shown here corresponds to a field effect transistor without a metallized gate area, ie the area between the source contact or terminal 2 and the drain contact 3 is the bare semiconductor surface and not a MOS or Schottky diode.

Das zweidimensionale Elektronengas 6 wird über den Source-Anschluss 2 und den Drain-Anschluss 3 kontaktiert und eine angelegte Spannung führt zu einem Kanalstrom, der durch Potentialveränderungen auf der Gate-Fläche beeinflusst werden kann. Diese Potentialveränderung auf der Gate-Fläche, die durch die Oberfläche der GaN-Schicht 1 gebildet ist, bewirkt den Sensoreffekt. D.h., durch Kontakt eines zu messenden Mediums, beispielsweise einer Flüssigkeit oder eines Gases, mit der Gate-Fläche bzw. mit der Oberfläche der oberen GaN-Schicht 1 wird eine Potentialveränderung bewirkt, welche die Ausgestaltung des zweidimensionalen Elektronengases 6 beeinflusst und somit einen veränderten Kanalstrom bzw. eine veränderte elektrische Leitfähigkeit der Schichtfolge bewirkt. Zur Messung des Stromes bzw. der elektrischen Leitfähigkeit der Schichtfolge, die das zweidimensionale Elektronengas 6 enthält, sind geeignete Mittel, beispielsweise in Form von Widerstandsmessgeräten oder Strom- bzw. Spannungsmessern, vorgesehen.The two-dimensional electron gas 6 is via the source connector 2 and the drain connection 3 contacted and an applied voltage leads to a channel current, which can be influenced by potential changes on the gate surface. This potential change on the gate surface passing through the surface of the GaN layer 1 is formed, causes the sensor effect. That is, by contact of a medium to be measured, for example a liquid or a gas, with the gate surface or with the surface of the upper GaN layer 1 a potential change is caused, which affects the configuration of the two-dimensional electron gas 6 influenced and thus causes a change in the channel current or a changed electrical conductivity of the layer sequence. For measuring the current or the electrical conductivity of the layer sequence, the two-dimensional electron gas 6 contains, suitable means, for example in the form of resistance meters or current or voltage meters, provided.

Die obere GaN-Schicht 1 dient insgesamt zur besseren Kontaktierung und kann, je nach den Erfordernissen des Einzelfalls, auch weggelassen werden. In diesem Fall wird die Gate-Fläche durch die AlGaN-Schicht 4 gebildet.The upper GaN layer 1 All in all, for better contacting and can, depending on the requirements of the case, also be omitted. In this case, the gate area becomes through the AlGaN layer 4 educated.

1b zeigt einen Halbleitersensor gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, ebenfalls in einer schematischen Schnittdarstellung. Der Halbleitersensor 20 gemäß 1b ist als N-Face HEMT ausgebildet. Die oberste Schicht der Schichtfolge des Halbleitersensors 20, die den Source-Anschluss 2 und den Drain-Anschluss 3 trägt, wird in diesem Fall durch eine AlGaN-Schicht 21 gebildet. Unter der oberen AlGaN-Schicht 21 befindet sich eine GaN-Schicht 22 und darunter wiederum eine AlGaN-Schicht 23, die eine untere AlGaN-Schicht bildet. Unterhalb der unteren AlGaN-Schicht 23 liegt eine weitere, untere GaN-Schicht 24. Die verschiedenen Schichten der Schichtfolge stehen in direktem Kontakt miteinander. Die Schichtfolge ist auf dem Substrat 8 aufgetragen. 1b shows a semiconductor sensor according to another preferred embodiment of the invention, also in a schematic sectional view. The semiconductor sensor 20 according to 1b is trained as N-Face HEMT. The uppermost layer of the layer sequence of the semiconductor sensor 20 that the source connector 2 and the drain connection 3 carries, in this case, by an AlGaN layer 21 educated. Under the upper AlGaN layer 21 there is a GaN layer 22 and below that again an AlGaN layer 23 which forms a lower AlGaN layer. Below the lower AlGaN layer 23 is another, lower GaN layer 24 , The different layers of the layer sequence are in direct contact with each other. The layer sequence is on the substrate 8th applied.

Das Substrat 8 und die Source- und Drain-Anschlüsse 2 bzw. 3 sind, wie oben unter Bezugnahme auf 1a beschrieben, ausgestaltet.The substrate 8th and the source and drain terminals 2 respectively. 3 are as above with reference to 1a described, designed.

Im Fall des N-Face HEMT gemäß 1b, der den Halbleitersensor 20 bildet, entsteht zwischen der unteren AlGaN-Schicht 23 und der darüber liegenden GaN-Schicht 22, d.h. an der Grenzfläche zwischen diesen beiden Schichten, das zweidimensionale Elektronengas 6, das charakteristisch für die gezeigte Schichtfolge ist. Die oberste Schicht, d.h. die AlGaN-Schicht 21 dient zur Kontaktierung des zweidimensionalen Elektronengases 6.In the case of N-Face HEMT according to 1b that the semiconductor sensor 20 forms, formed between the lower AlGaN layer 23 and the overlying GaN layer 22 ie, at the interface between these two layers, the two-dimensional electron gas 6 , which is characteristic of the layer sequence shown. The top layer, ie the AlGaN layer 21 serves for contacting the two-dimensional electron gas 6 ,

Die Schichtfolge GaN-AlGaN-GaN führt zur Ausbildung des zweidimensionalen Elektronengases 6 an der Grenzfläche AlGaN-GaN. Das unter der Schichtfolge liegende Substrat 8 aus Saphir ist für epitaktisches Kristallwachstum verantwortlich. Der so realisierte HEMT bzw. High Electron Mobility Transistor kann somit als ionensensitiver Halbleitersensor bzw. als Gas- oder Flüssigkeitssensor verwendet werden. Die geschaffenen Strukturen können auch als MODFET bzw. Modulation Doped Field Effect Transistor bezeichnet werden.The layer sequence GaN-AlGaN-GaN leads to the formation of the two-dimensional electron gas 6 at the AlGaN-GaN interface. The underlying substrate layer 8th made of sapphire is responsible for epitaxial crystal growth. The HEMT or high electron mobility transistor thus realized can thus be used as an ion-sensitive semiconductor sensor or as a gas or liquid sensor. The structures created can also be referred to as MODFET or modulation Doped Field Effect Transistor.

Da das zweidimensionale Elektronengas 6 in den 1a und 1b sehr nahe an der Oberfläche der Struktur entsteht, führen Potentialveränderungen an der Grenzfläche zwischen dem zu messenden Medium, beispielsweise einem Fluid, und dem Halbleiter auch zu einer Veränderung der Polarisationsfelder, die für die Ladungsträgerkonzentration des zweidimensionalen Elektronengases 6 verantwortlich sind. Dieser Effekt ändert also die Leitfähigkeit des zweidimensionalen Elektronengases 6 und kann damit im Kanalstrom zwischen dem Source-Anschluss 2 und dem Drain-Anschluss 3 nachgewiesen werden. Während der Messung sind die Source- und Drain-Anschlüsse 2 bzw. 3 nicht der Flüssigkeit ausgesetzt, sondern über eine Dichtung, die in den Abbildungen nicht dargestellt ist, von der Gate-Fläche getrennt.Because the two-dimensional electron gas 6 in the 1a and 1b arises very close to the surface of the structure, potential changes at the interface between the medium to be measured, such as a fluid, and the semiconductor also lead to a change in the polarization fields, the charge carrier concentration of the two-dimensional electron gas 6 are responsible. This effect thus changes the conductivity of the two-dimensional electron gas 6 and can thus be in the channel current between the source terminal 2 and the drain port 3 be detected. During the measurement, the source and drain terminals are 2 respectively. 3 not exposed to the liquid, but via a seal that goes into the Ab is not shown, separated from the gate area.

3 zeigt eine Messung mit dem erfindungsgemäßen Halbleitersensor, wobei der Kanalstrom in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt ist. In dem hier gezeigten Beispiel wurde die Gate-Fläche in bestimmten zeitlichen Abständen mit Aceton in Verbindung gebracht. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich das ge messene Signal gemäß 3 zeitlich in eine sehr schnelle und in eine langsamere Antwort des Sensors auf den Kontakt der Gate-Fläche mit einer Flüssigkeit, im vorliegenden Fall Aceton, einteilen lässt. Die schnelle Antwort erfolgt unmittelbar auf den Kontakt der Gate-Fläche mit dem Aceton, wobei der Kanalstrom schlagartig von ca. 38 mA auf ca. 12 mA absinkt, wobei hierfür weniger als 1 s benötigt wird. Anschließend erfolgt eine weitere Absenkung auf ca. 10 mA in einem Zeitraum von ca. 100 s. 3 shows a measurement with the semiconductor sensor according to the invention, wherein the channel current is shown as a function of time. In the example shown here, the gate area has been associated with acetone at certain time intervals. It can be clearly seen that the ge measured signal according to 3 timely in a very fast and in a slower response of the sensor on the contact of the gate surface with a liquid, in the present case acetone, divide. The fast response occurs immediately upon contact of the gate surface with the acetone, with the channel current dropping abruptly from approximately 38 mA to approximately 12 mA, whereby less than 1 second is required for this. Subsequently, a further reduction to about 10 mA in a period of about 100 s.

Beim erneuten Kontakt mit Luft steigt der Kanalstrom von ca. 10 mA wiederum zunächst sehr steil bzw. schlagartig auf ca. 30 mA an und benötigt dann ca. weitere 200 sec um weiter auf einen Wert von ca. 38 mA anzusteigen. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich eine sehr schnelle Antwort bzw. Fast Response im Bereich von weniger als 1 s und anschließend eine langsamere Antwort bzw. Slow Response im Bereich von mehr als 100 – 200 s einstellt.At the renewed contact with air, the channel current of about 10 mA increases again first very steeply or abruptly to approx. 30 mA and then requires approx. another 200 sec to increase further to a value of approx. 38 mA. It can be clearly seen that is a very fast answer or Fast Response in the range of less than 1 s and then one slower response or slow response in the range of more than 100 - 200 s established.

Der Fast Response bzw. die schnelle Antwort kann dabei auf die schnelle Wechselwirkung zwischen den Dipolmomenten der Flüssigkeit und der polaren Oberfläche des Sensors zurückgeführt werden.Of the Fast Response or the fast answer can be fast Interaction between the dipole moments of the liquid and the polar surface of the liquid Sensors are returned.

Besonders hoch ist die Änderung des Kanalstromes beim Benetzen einer zuvor mit Luft in Kontakt stehenden Gate-Fläche mit einer Flüssigkeit (relative Stromänderung ΔI/I ^~ 50 %). Die Langzeitantwort beruht auf dem langsameren Ladungsaustausch der Ionen der Flüssigkeit mit der Halbleiteroberfläche.Particularly high is the change in the channel current when wetting a previously in contact with air gate area with a liquid (relative current change ΔI / I ^~ 50%). The long term response is due to the slower charge exchange of the ions of the liquid with the semiconductor surface.

Ein ähnliches Diagramm ist in 4 gezeigt, wobei ebenfalls der Kanalstrom in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt ist. Dabei wurden verschiedene Flüssigkeiten in Kontakt mit der Halbleiteroberfläche bzw. Gate-Fläche gebracht. Diese Flüssigkeiten waren nacheinander Propanol (a), Aceton (b) und Methanol (c). Auch hier ist die Unterteilung in schnelle und langsame Antwort des Sensors deutlich erkennbar. Je nach Polarität der Flüssigkeit ändert sich der Betrag des Kanalstromes.A similar diagram is in 4 also showing the channel current as a function of time. Various liquids were brought into contact with the semiconductor surface or gate area. These liquids were successively propanol (a), acetone (b) and methanol (c). Again, the subdivision into fast and slow response of the sensor is clearly visible. Depending on the polarity of the liquid, the amount of the channel current changes.

5 zeigt das Ergebnis der Messung von Flüssigkeiten verschiedener pH-Werte. Auch hier ist der Kanalstrom in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. 5 shows the result of measuring liquids of different pH. Again, the channel current is shown as a function of time.

Der Signalverlauf über einige Minuten ist dabei charakteristisch für verschiedene Säurestärken. Beide Signalanteile spiegeln die Leitfähigkeitsänderung im zweidimensionalen Elektronengas 6 (siehe 1a und 1b) aufgrund der Wechselwirkung der Halbleiteroberfläche mit verschiedenen Flüssigkeiten wieder.The signal curve over a few minutes is characteristic of various acid strengths. Both signal components reflect the change in conductivity in the two-dimensional electron gas 6 (please refer 1a and 1b ) due to the interaction of the semiconductor surface with different liquids.

In der oben unter Bezugnahme auf die 1a und 1b beschriebenen Sensorstruktur besteht die sensitive Oberfläche zwischen dem Source-Anschluss 2 und dem Drain-Anschluss 3 aus einer GaN-Cap Layer bzw. GaN-Deckschicht, die bei der Messung direkt in Kontakt mit der zu messenden Flüssigkeit bzw. einem Medium steht. Die Wechselwirkung wird zwischen den Dipol-Momenten bzw. den Ionen in dem Medium und der polaren Oberfläche der bevorzugten Halbleiter-Heterostruktur GaN/AlGaN hervorgerufen. Das Vorzeichen der Polarisation der Oberfläche kann je nach Anforderungen der zu untersuchenden Flüssigkeit durch die Wahl eines als Ga-Face (negativ) oder N-Face (positiv) prozessierten HEMT's ausgewählt werden.In the above with reference to the 1a and 1b described sensor structure is the sensitive surface between the source terminal 2 and the drain port 3 from a GaN cap layer or GaN cover layer, which is in direct contact with the liquid to be measured or a medium during the measurement. The interaction is caused between the dipole moments or ions in the medium and the polar surface of the preferred semiconductor heterostructure GaN / AlGaN. Depending on the requirements of the liquid to be examined, the sign of the polarization of the surface can be selected by selecting a HEMT processed as Ga-Face (negative) or N-Face (positive).

Die Nukleationsschicht 7 in 1a dient hauptsächlich zum gezielten Wachstum von Ga-Face GaN. Ohne Nukleationsschicht erhält man N-Face GaN.The nucleation layer 7 in 1a mainly used for targeted growth of Ga-Face GaN. Without a nucleation layer, N-Face GaN is obtained.

Die 6a und 6b zeigen weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in schematischer, perspektivischer Darstellung.The 6a and 6b show further preferred embodiments of the invention in a schematic, perspective view.

Der in 6a gezeigte Halbleitersensor bzw. Flüssigkeitssensor 30 ist schichtweise aufgebaut, wie oben unter Bezugnahme auf die 1a beschrieben. Die einzelnen, übereinander liegenden Schichten sind mit den selben Bezugszeichen gekennzeichnet. Das zweidimensionale Elektronengas 6 befindet sich an der Grenzfläche zwischen der GaN-Schicht 5 und der darüber liegenden Al-GaN-Schicht 4. Der Halbleitersensor 30 hat auf seiner oben gelegenen Oberfläche 31 bzw. Oberseite eine Interdigital-Struktur 32, die mit einer Antenne 33 gekoppelt ist. In einem Abstand d von der Interdigital-Struktur 32 entfernt befindet sich eine weitere Interdigital-Struktur 34, die ebenfalls auf der Oberfläche 31 des Flüssigkeitssensors 30 angeordnet ist und zur Reflexion von Oberflächenwellen dient.The in 6a shown semiconductor sensor or liquid sensor 30 is layered, as above with reference to the 1a described. The individual, superimposed layers are identified by the same reference numerals. The two-dimensional electron gas 6 is located at the interface between the GaN layer 5 and the overlying Al-GaN layer 4 , The semiconductor sensor 30 has on its top surface 31 or top an interdigital structure 32 that with an antenna 33 is coupled. At a distance d from the interdigital structure 32 away there is another interdigital structure 34 also on the surface 31 of the liquid sensor 30 is arranged and serves to reflect surface waves.

Im Betrieb wird ein von der Antenne 33 empfangener Funkpuls mittels der Interdigital-Struktur 32 über den piezoelektrischen Effekt in eine mechanische Oberflächenwelle verwandelt. Diese breitet sich über eine Laufstrecke, die durch den Abstand d gegeben ist, auf dem Sensor 30 aus und wird an der weiteren Interdigital-Struktur 34, die eine Elektrodenstruktur darstellt, reflektiert. Belastet man diese Elektroden mit unterschiedlichen Widerständen, wie sie bei dem oben beschriebenen Sensoreffekt auftreten, so trägt die reflektierte Oberflächenwelle die Signalinformation des Sensors in Form einer unterschiedliche stark gedämpften Welle. An der Interdigital-Struktur 32 bzw. dem mit der Antenne 33 gekoppelten Interdigital-Transducer wird diese mechanische Welle über den inversen piezoelektrischen Effekt in eine elektrische Spannung U umgewandelt, die über die Antenne 33 einen Funkpuls zum Empfänger zurücksendet.In operation, one of the antenna 33 received radio pulse by means of the interdigital structure 32 transformed into a mechanical surface wave via the piezoelectric effect. This spreads over a running distance, which is given by the distance d, on the sensor 30 and becomes at the further interdigital structure 34 , which represents an electrode structure, reflects. If one loads these electrodes with different resistances, as they occur in the sensor effect described above, Thus, the reflected surface wave carries the signal information of the sensor in the form of a different strongly damped wave. At the interdigital structure 32 or with the antenna 33 Coupled interdigital transducer, this mechanical wave is converted via the inverse piezoelectric effect into an electrical voltage U, through the antenna 33 sends back a radio pulse to the receiver.

D.h., die sensitive Gate-Fläche ist als resistive Last an der Interdigital-Struktur 34 angeschlossen. Der Widerstand dieser Last hängt von den Eigenschaften der Flüssigkeit auf der Gate-Fläche bzw. Oberfläche 31 ab. Es werden also die von der Interdigital-Struktur 32 erzeugten Oberflächenwellen an der Interdigital-Struktur 34 reflektiert, wobei der Reflexionsfaktor von der Last an der Interdigital-Struktur 34 abhängt und somit das reflektierte Signal die Informationen über die Flüssigkeit trägt.That is, the sensitive gate area is a resistive load on the interdigital structure 34 connected. The resistance of this load depends on the properties of the liquid on the gate surface 31 from. So they are the ones of the interdigital structure 32 generated surface waves at the interdigital structure 34 reflected, where the reflection factor of the load on the interdigital structure 34 depends and thus the reflected signal carries the information about the liquid.

6b zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung eines Halbleiter- bzw. Flüssigkeitssensors 40, der ähnlich dem in 6a gezeigten Flüssigkeitssensor 30 aufgebaut ist, jedoch an seiner Oberfläche 31 eine zusätzliche elektrisch leitende Schicht 41 trägt. Die Schichten und Elemente des Flüssigkeitssensors 40 sind mit den selben Bezugszeichen gekennzeichnet, wie sie auch bei 6a verwendet sind. Die elektrisch leitende Schicht 41 befindet sich zwischen der Interdigital-Struktur 32 und der weiteren Interdigital-Struktur 34. Die sensitive Gate-Fläche liegt auf der Laufstrecke der Oberflächenwelle zwischen der Interdigital-Struktur 32 und der Interdigital-Struktur 34. Die Dämpfung der Oberflächenwelle hängt unter anderem auch von der Leitfähigkeit der Gate-Fläche bzw. Oberfläche 31 ab. Die elektrisch leitende Schicht 41 dämpft die laufende Welle. Durch den Sensor-Effekt wird die Leitfähigkeit der Gate- Fläche verändert. Die bereits gedämpfte Welle wird dann an der Interdigital-Struktur 34 reflektiert, nochmals auf der Gate-Fläche gedämpft und erreicht dann die Interdigital-Struktur 32. 6b shows a further possible embodiment of a semiconductor or liquid sensor 40 that is similar to the one in 6a shown liquid sensor 30 is constructed, but on its surface 31 an additional electrically conductive layer 41 wearing. The layers and elements of the liquid sensor 40 are marked with the same reference numerals as they are in 6a are used. The electrically conductive layer 41 is located between the interdigital structure 32 and the further interdigital structure 34 , The sensitive gate area lies on the path of the surface wave between the interdigital structure 32 and the interdigital structure 34 , The attenuation of the surface wave depends inter alia on the conductivity of the gate surface or surface 31 from. The electrically conductive layer 41 dampens the current wave. The sensor effect changes the conductivity of the gate area. The already damped wave then becomes at the interdigital structure 34 reflected, attenuated again on the gate surface and then reaches the interdigital structure 32 ,

Das Messsignal wird also direkt auf der Lauffläche der Oberflächenwelle dazu verwendet, die mechanische Welle zu dämpfen. Wird nun durch den Sensoreffekt die Leitfähigkeit der Laufstrecke verändert, so führt dies auch zur Dämpfung der Welle, die von der Interdigital-Struktur 34 bzw. dem weiteren Interdigital-Transducer reflektiert wird und dann über die Antenne 33 abgestrahlt werden kann.The measurement signal is thus used directly on the tread of the surface wave to dampen the mechanical wave. If the conductivity of the running distance is changed by the sensor effect, this also leads to the damping of the wave caused by the interdigital structure 34 or the other interdigital transducer is reflected and then via the antenna 33 can be radiated.

Beide in den 6a und 6b gezeigten Ausführungsformen des Sensors zeigen den Vorteil des hier beschriebenen Sensorkonzeptes. Es ist somit möglich, einen monolithischen, fernabfragbaren Sensor aufzubauen, der zur Detektion von Flüssigkeiten mit verschiedenen Dipol-Momenten oder pH-Werten dient. Die piezoelektrischen Gruppe-III-Nitride, insbesondere GaN und AlGaN, ermöglichen die Signalverarbeitung mittels Oberflächenwellen, wie sie in den 6a und 6b dargestellt ist.Both in the 6a and 6b shown embodiments of the sensor show the advantage of the sensor concept described here. It is thus possible to construct a monolithic remote sensing sensor which serves to detect liquids having different dipole moments or pH values. The piezoelectric group III nitrides, in particular GaN and AlGaN, enable the signal processing by means of surface waves, as in the 6a and 6b is shown.

7 zeigt noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem hier gezeigten Halbleitersensor 50 ist auf dem Substrat 8 eine Ga-Face oder N-Face-Heterostruktur angeordnet, wie sie oben ausführlich unter Bezugnahme auf die 1a und 1b beschrieben wurde. Im oberen Bereich der Struktur befindet sich das zweidimensionale Elektronengas 6. An der Oberfläche der Struktur befindet sich der Source-Anschluss 2 und der Drain-Anschluss 3. Zwischen Source und Drain ist an der Oberfläche eine funktionale Schicht 51 angeordnet. Die funktionale Schicht 51 auf der Gate-Fläche ist selektiv für unterschiedliche Ionen und dient somit zur besseren Unterscheidung zwischen verschiedenen Ionensorten. Weiterhin ist eine quantitative Bestimmung der Menge dieser Ionen möglich. 7 shows yet another preferred embodiment of the invention. In the semiconductor sensor shown here 50 is on the substrate 8th a Ga-face or N-face heterostructure arranged as described in detail above with reference to the 1a and 1b has been described. In the upper part of the structure is the two-dimensional electron gas 6 , At the surface of the structure is the source terminal 2 and the drain connection 3 , Between the source and the drain is a functional layer on the surface 51 arranged. The functional layer 51 on the gate surface is selective for different ions and thus serves to better distinguish between different ion species. Furthermore, a quantitative determination of the amount of these ions is possible.

Die funktionale Schicht 51 kann z.B. aus Ionentauschern gefertigt sein, die für bestimmte Ionen, wie beispielsweise Na+, Mg+, Ca++, usw. selektiv durchlässig sind. Als Ionentauscher dienen z.B. Ceolithe. Durch die selektive Durchläs sigkeit treten nur bestimmte Ionen auf die Oberfläche der sensitiven Schichtfolge bzw. auf die GaN-Fläche, um dort den Sensoreffekt auszulösen.The functional layer 51 For example, it may be made of ion exchangers that are selectively permeable to certain ions, such as Na +, Mg +, Ca ++, etc. As ion exchangers serve as ceelites. Due to the selective permeability, only certain ions enter the surface of the sensitive layer sequence or the GaN surface in order to trigger the sensor effect there.

Die funktionale Schicht 51 kann z.B. auch aus einer leitenden Keramik bestehen bzw. gefertigt sein, die für ionisierte Wasserstoffatome bzw. H+ selektiv ist. Damit kann die Leitfähigkeit oder der pH-Wert von Flüssigkeiten besser bestimmt werden. Die leitende Keramik ist somit bevorzugt ein Protonenleiter, wie z.B. ORMOCER^©. Je nach Wahl der Schichtfolge, d.h. als Ga-Face oder N-Face, kann zudem auch das Vorzeichen der Ladung der zu detektierenden Ionen festgestellt werden.The functional layer 51 may for example also consist of a conductive ceramic or be made, which is selective for ionized hydrogen atoms or H +. This allows the conductivity or pH of liquids to be better determined. The conductive ceramic is thus preferably a proton conductor, such as ORMOCER ^© . Depending on the choice of the layer sequence, ie as Ga-Face or N-Face, also the sign of the charge of the ions to be detected can be determined.

In 8 ist ein weiterer Sensor bzw. Halbleitersensor 60 gezeigt, der eine Kombination beider Schichtfolgen, d.h. sowohl Ga-Face als auch N-Face, in einem einzigen Sensor umfasst. D.h., es sind beide Polaritäten auf einem einzigen Sensor vorhanden. Auf der Oberfläche der Heterostruktur sind randlich gelegen zwei Drain-Anschlüsse 61, 62 vorhanden, zwischen denen ein gemeinsamer Source-Anschluss 63 angeordnet ist. Das zweidimensionale Elektronengas 6 befindet sich, wie oben beschrieben, an einer Grenzfläche innerhalb der Heterostruktur.In 8th is another sensor or semiconductor sensor 60 which comprises a combination of both layer sequences, ie both Ga-Face and N-Face, in a single sensor. That is, both polarities are present on a single sensor. On the surface of the heterostructure are located at the edge of two drain connections 61 . 62 present, between which a common source connection 63 is arranged. The two-dimensional electron gas 6 is at an interface within the heterostructure, as described above.

Auf der in 8 linken Seite des Sensors ist eine N-Face-Struktur ausgebildet, während auf der rechten Seite eine Ga-Face-Struktur ausgebildet ist. Bei der Ga-Face-Struktur ist zwischen dem Substrat 8 und der Heterostruktur noch eine zusätzliche Nukleationsschicht 7 angeordnet. Die Herstellung dieses Sensors mit der Kombination beider Schichtfolgen erfolgt auf eine Weise, wie sie z.B. in dem Artikel „Lateral polarity heterostructures by overgrowth of patterned Al_xGA_1-xN nucleation layers", R. Dimitrov et. al., Mat. Res. Soc. Symp. Vol. 622, 2000 Materials Research Society T4.6.1 – T4.6.6, beschrieben ist.On the in 8th On the left side of the sensor, an N-face structure is formed, while on the right side, a Ga-face structure is formed. The Ga-Face structure is between the substrate 8th and the heterostructure an additional nucleation layer 7 arranged. The production of this Sensors with the combination of both layer sequences take place in a manner as described, for example, in the article "Lateral polarity heterostructures by overgrowth of patterned Al _x GA _1-x N nucleation layers", R. Dimitrov et al., Mat. Res. Soc. Symp. Vol. 622, 2000 Materials Research Society T4.6.1 - T4.6.6.

Der Nachweis von Ionen kann auch auf Gase erweitert werden. Die durch verschiedene Arten von Strahlung (UV, γ, usw.) erzeugten ionisierten Gasmoleküle, im einfachsten Fall Luft, können ebenfalls über den beschriebenen Mechanismus detektiert werden.Of the Detection of ions can also be extended to gases. By different types of radiation (UV, γ, etc.) produced ionized Gas molecules in the simplest case, air, can also over the mechanism described are detected.

Zusätzlich zu den bereits beschriebenen Eigenschaften und Vorteilen bietet die vorliegende Erfindung eine Möglichkeit, Menge und Art von Ionen in Flüssigkeiten zu detektieren, d.h. es wird ein Dosimeter geschaffen. Die fernabfragbaren Komponenten bleiben auch bei den funktionalisierten Gate-Flächen erhalten. Durch die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleitersensors und durch die erfindungsgemäße Verwendung spezieller Feldeffekttransistoren wird ein Sensor zur Detektion von Flüssigkeiten mit verschiedener Polarität und mit verschiedenem pH-Wert geschaffen, der die Möglichkeit zur Fernabfrage bietet, unter rauhen Bedingungen einsetzbar ist und bei der Herstellung einen reduzierten Aufwand bzw. eine weniger aufwendige Aufbau- und Verbindungstechnik erfordert.In addition to the already described features and advantages offers the present invention a possibility Quantity and type of ions in liquids to detect, i. A dosimeter is created. The remote queriable Components are also retained in the functionalized gate areas. Due to the configuration of the semiconductor sensor according to the invention and by the use according to the invention special field effect transistors become a sensor for detection of liquids with different polarity and created with different pH, the possibility offers remote access, can be used under harsh conditions and in the production of a reduced effort or a less requires complex construction and connection technology.

Claims

Ionensensitiver Halbleitersensor, mit einer Schichtfolge, die in Form einer HEMT-Struktur ausgebildet ist, wobei jeweils mindestens ein Source-Anschluss (2) und ein Drain-Anschluss (3) der HEMT-Struktur durch die Schichtfolge miteinander gekoppelt sind, und einer Vorrichtung, die der Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der Schichtfolge dient, wobei die Schichtfolge eine Heterostruktur (1, 4, 5; 21, 22, 23) aus Gruppe-III-Nitriden umfasst.Ion-sensitive semiconductor sensor, having a layer sequence which is in the form of a HEMT structure, wherein in each case at least one source connection ( 2 ) and a drain connection ( 3 ) of the HEMT structure are coupled to one another by the layer sequence, and to a device which serves to determine the electrical conductivity of the layer sequence, the layer sequence having a heterostructure ( 1 . 4 . 5 ; 21 . 22 . 23 ) from Group III nitrides.

Ionensensitiver Halbleitersensor, mit einer Schichtfolge, die in Form einer HEMT-Struktur ausgebildet ist und eine Heterostruktur (1, 4, 5; 21, 22, 23) aus Gruppe-III-Nitriden umfasst, einer Vorrichtung, die der Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der Schichtfolge dient, und einem Oberflächenwellenfilter (32, 34) zum Auslesen eines Messsignals.Ion-sensitive semiconductor sensor, having a layer sequence which is in the form of a HEMT structure and has a heterostructure ( 1 . 4 . 5 ; 21 . 22 . 23 ) of group III nitrides, a device which serves to determine the electrical conductivity of the layer sequence, and a surface acoustic wave filter ( 32 . 34 ) for reading a measurement signal.

Ionensensitiver Halbleitersensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die oberste Schicht (1; 21) der Schichtfolge derart ausgestaltet ist, dass sie während der Messung in direkten Kontakt mit einem zu messenden Medium gerät.Ion-sensitive semiconductor sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the uppermost layer ( 1 ; 21 ) of the layer sequence is designed such that it comes into direct contact with a medium to be measured during the measurement.

Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolge oder mindestens eine Schicht der Schichtfolge piezoelektrische Eigenschaften aufweist.Ion-sensitive semiconductor sensor according to one of the preceding Claims, characterized in that the layer sequence or at least one layer the layer sequence has piezoelectric properties.

Ionensensitiver Halbleitersensor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Antenne (33) zur Übertragung eines Messsignals an eine Auswertestation und/oder zur drahtlosen Fernabfrage eines Messsignals.Ion-sensitive semiconductor sensor according to claim 2, characterized by an antenna ( 33 ) for transmitting a measurement signal to an evaluation station and / or for remote wireless polling of a measurement signal.

Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolge ein oder mehrere GaN-Schichten (1, 5; 22, 24) und/oder ein oder mehrere Al-GaN-Schichten (4; 21, 23) in wechselnder Folge umfasst.Ion-sensitive semiconductor sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the layer sequence one or more GaN layers ( 1 . 5 ; 22 . 24 ) and / or one or more Al-GaN layers ( 4 ; 21 . 23 ) in alternating sequence.

Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolge (1, 4, 5; 21, 22, 23) AlGaN umfasst und/oder aus quaternären Verbindungen der Gruppe-III-Nitride hergestellt ist.Ion-sensitive semiconductor sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the layer sequence ( 1 . 4 . 5 ; 21 . 22 . 23 ) AlGaN and / or is made from quaternary compounds of group III nitrides.

Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oberste Schicht (1; 21) als GaN-Schicht oder als AlGaN-Schicht ausgebildet ist.Ion-sensitive semiconductor sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the uppermost layer ( 1 ; 21 ) is formed as a GaN layer or as an AlGaN layer.

Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Substrat (8), auf dem die Schichtfolge aufgebracht ist, wobei das Substrat (8) bevorzugt aus Saphir, SiC oder (111)-Si gefertigt ist.Ion-sensitive semiconductor sensor according to one of the preceding claims, characterized by a substrate ( 8th ), on which the layer sequence is applied, wherein the substrate ( 8th ) is preferably made of sapphire, SiC or (111) -Si.

Ionensensitiver Halbleitersensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Source- und Drain-Anschlüsse (2, 3) Schichten oder Schichtfolgen von Metallen umfassen, bevorzugt Ti/Al und/oder Ti/Au.Ion-sensitive semiconductor sensor according to claim 1, characterized in that the source and drain terminals ( 2 . 3 ) Comprise layers or layer sequences of metals, preferably Ti / Al and / or Ti / Au.

Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Nukleationsschicht (7), die die Schichtfolge (1, 4, 5) von dem darunterliegenden Substrat (8) trennt. Ion-sensitive semiconductor sensor according to one of the preceding claims, characterized by a nucleation layer ( 7 ), the layer sequence ( 1 . 4 . 5 ) from the underlying substrate ( 8th ) separates.

Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Dichtung zur Trennung der Kontakte (2, 3) von dem zu messenden Medium.Ion-sensitive semiconductor sensor according to one of the preceding claims, characterized by a seal for separating the contacts ( 2 . 3 ) of the medium to be measured.

Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er monolithisch aufgebaut ist.Ion-sensitive semiconductor sensor according to one of previous claims, characterized in that it is constructed monolithically.

Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine auf der Gate-Fläche (31) der HEMT-Struktur angeordnete funktionale Schicht (51) zur Unterscheidung verschiedener Ionenarten und/oder zur quantitativen Bestimmung von Ionen.Ion-sensitive semiconductor sensor according to one of the preceding claims, characterized by a on the gate surface ( 31 ) the HEMT-Struk functional layer ( 51 ) for distinguishing different types of ions and / or for the quantitative determination of ions.

Ionensensitiver Halbleitersensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionale Schicht (51) aus Ionentauschern, insbesondere Zeolithen, gefertigt ist, die nur für bestimmte Ionen selektiv durchlässig sind, und/oder aus einer leitenden Keramik gefertigt ist, die für ionisierte Wasserstoffatome selektiv ist.Ion-sensitive semiconductor sensor according to claim 16, characterized in that the functional layer ( 51 ) is made of ion exchangers, in particular zeolites, which are selectively permeable only to certain ions, and / or is made of a conductive ceramic which is selective for ionized hydrogen atoms.