DE3211968A1

DE3211968A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE3211968A1
Application number: DE19823211968
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 8520 Erlangen Rühle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-03-31
Filing date: 1982-03-31
Publication date: 1983-10-13
Also published as: JPS58182276A; US4503709A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 82 P 3 1 O 3 DE

Drucksensor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor mit einem Halbleiterkörper.

Sensoren haben die Aufgabe, Ereignisse in einer überwiegend technischen, meist nicht-elektrischen Umwelt zu erfassen und in elektrische Signale umzusetzen. "~~ Die durch den Druck hervorgerufene Deformation eines Dehnungsmeßstreifens beeinflußt bekanntlich seinen elektrischen Widerstand. Wenn die Beziehung zwischen der Deformation und dem Druck bekannt ist, kann der unbekannte Druck durch Messen der Widerstandsänderung bestimmt werden. Einkristallines Halbleitermaterial, insbesondere n-leitendes Silizium, ist wegen seiner besonderen Elastizität für diesen Zweck geeignet. Der Halbleiterkörper hat die Form einer Membrane, auf deren Oberfläche die Dehnungsmeßstreifen im allgemeinen in Planartechnik durch Eindiffundieren von geeignetem Dotie-—*. 25 rungsstoff hergestellt sind. Hochreines einkristallines Halbleitermaterial folgt über einen größeren Bereich von Dehnungswerten dem Hookeschen Gesetz. Die Proportionalität zwischen der angreifenden Kraft und der Dehnung in der gleichen Richtung bleibt bis zu einer Verlängerung von etwa 1 % bestehen. Außerdem ist das einkristalline Halbleitermaterial frei von Hystereseerscheinungen und bleibt bis zu Temperaturen von mehreren 100°C elastisch. Ferner ist der Piezo-Widerstandseffekt im einkristallinen Halbleitermaterial besonders groß. Man erhält deshalb

Ur 2 Hag / 24.3.1982

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durch mechanische Spannung eine entsprechend große Änderung des spezifischen Widerstandes.

In einer bekannten Ausführungsform eines Miniaturdruckwandlers ist ein scheibenförmiger Halbleiterkörper vorgesehen, dessen Plachseiten vorzugsweise parallel zur (111)-Ebene des Kristalls verlaufen und der an seiner Oberfläche mit eindiffundierten, elektrisch leitenden Bereichen versehen ist, die als Dehnungsmeßstreifen dienen und vorteilhaft vier Widerstände einer Brückenschaltung bilden können. Die Siliziums.cheibe dient als Membrane und ist von einem verstärkten Randbereich umgeben. Die Widerstandsbahnen ändern in Abhängigkeit von der Durchbiegung der Membrane ihren elektrischen Widerstand. Die Änderung des Widerstands ist ein Maß für den auf die Membrane wirkenden Druck (Philips Technische Rundschau 33, 1973/74, Nr. 1, Seiten 15 bis 22).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannten Drucksensoren zu verbessern, insbesondere soll der Aufbau vereinfacht werden und es sollen vorbestimmte Druckbereiche eingestellt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Halbleiterkörper ein Mischkristall vorgesehen ist, bei dem verschiedene Leitungsbandminima mit verschiedenen effektiven Massen energetisch eng benachbart sind. Durch diese Mischkristalle wird der Aufbau des Drucksensors besonders einfach. In einer besonderen Ausführungsform des Drucksensors besteht der Halbleiterkörper aus einem ternären oder quaternären Ill-V-Verbindungshalbleiter, beispielsweise Gallium-Aluminium-Arsen in der Zusammensetzung Ga. Al As oder Gallium-Arsen-Phosphor in

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der Zusammensetzung GaAs^ P als ternären III-V-Verbindungshalbleiter und beispielsweise Gallium-Indium-Arsen-Phosphor in der Zusammensetzung ^Ga1-x^Inx^As1-v^Pv ^{als c}l^ua'^ternären IH-V-Verbindungshalbleiter. Eine besonders vorteilhafte weitere Ausgestaltung des Drucksensors besteht darin, daß der Halbleiterkörper aus der Mischkristallreihe Gallium-Aluminium-Arsen in der Zusammensetzung Ga,, Al As, bei dem die Aluminiumkonzentration 0,19^x^0,4 ist, oder aus der Mischkristallreihe Gallium-Arsen-Phosphor in der Zusammensetzung GaAs,. P besteht, bei dem die Phosphorkonzentration 0,25S!y^0,45 ist. Damit kann man einen vorbestimmten Druckbereich durch die Aluminiumkonzentration χ oder die Phosphorkonzentration y einstellen. Außerdem kann man den Drucksensor auch bei höherer Umgebungstemperatur, insbesondere bei mehreren 100⁰C einsetzen.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel eines Drucksensors nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Figur 1 zeigt einen Längsschnitt des Drucksensors und . in

Figur 2 ist eine Draufsicht dargestellt. In

Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform des Drucksensors veranschaulicht und in

Figur 4 ist eine Ausführungsform des Drucksensors mit einer Membrane dargestellt.

In der Ausführungsform nach Figur 1 enthält der Drucksensor einen Halbleiterkörper 2 aus einem semiisolierenden Gallium-Arsenid-Substrat 4, das mit Hilfe von Dotierungsstoffen, beispielsweise Sauerstoff oder

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Chrom, hochohmig ist. Auf dessen Oberseite ist eine Epitaxieschicht 6 aufgewachsen, die aus der Mischkristallreihe Gallium-Aluminium-Arsen in der Zusammensetzung Ga^ AlJIs besteht. Die Aluminaumkonzentration χ kann beispielsweise 0,19^x^0,4 sein. Zur Druckmessung im Druckbereich von 6 kbar bis 12 kbar ist die Aluminiumkonzentration vorzugsweise etwa 0,4, insbesondere ist die Aluminiumkonzentration χ annähernd 0,3 zur Druckmessung im Druckbereich von 0 kbar bis 8 kbar. Die Kontaktierung erfolgt jeweils an den Enden der Epitaxieschicht 6 durch ohmsche Kontakte 8 und 10, die beispielsweise aus Gold-Germanium-Legierungen oder auch aus mehreren Legierungsschichten, beispielsweise einer Gold-Germanium-Legierung, einer Nickel-Chrom-Legierung und Gold bestehen können. Für die Epitaxieschicht 6 kann man auch ein Mischkristall aus der Reihe Gallium-Arsen-Phosphor in der Zusammensetzung GaAs_1-P verwendet werden, bei dem die Phosphorkonzentration y beispielsweise 0,25^y- 0,45, vorzugsweise 0,3<y<0,35 ist. Zur Druckmessung im Bereich von etwa 0 bis 6 kbar kann die Phosphorkonzentration y insbesondere etwa 0,33 gewählt werden.

Durch die Verwendung der Mischkristalle Ga,, Al As oder GaAs₁ P als Epitaxieschicht 6 ist die Widerstands-Druck-Kennlinie über einen weiten Bereich eine Gerade. In diesem Bereich hängt der Widerstand sehr stark von uniaxialem oder auch hydrostatischem Druck ab. Diese im weiten Bereich lineare Widerstands-Druck-Kennlinie kommt durch die Änderung der Verteilung einer nahezu konstanten Zahl von Elektronen zwischen dem direkten Γ - und den indirekten X- und L-Minima mit jeweils unterschiedlichen Beweglichkeiten zustande.

Dieser Drucksensor mit dem Mischkristall als Halb-

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leiterkörper kann zur Messung bei hoher Umgebungstemperatur bis zu beispielsweise etwa 770 K eingesetzt werden, weil dessen Eigenleitfähigkeit bis zu dieser Temperatur aufgrund der hohen Energielücke sehr niedrig bleibt. Mit der Aluminiumkonzentration χ oder der Phosphorkonzentration y kann ein vorbestimmter Druckbereich eingestellt werden, weil die Widerstands-Druck-Kennlinie über weite Bereiche linear ist.

In Figur 2 ist eine Draufsicht des Drucksensors dargestellt, bei der beispielsweise mittels Fototechnik und Ätzung eine Widerstandsbahn 12 und Kontaktflächen der ohmschen Kontakte 8 und 10 aus der Epitaxieschicht 6 herausgearbeitet sind. Die Widerstandsbahn 12 ist im allgemeinen wesentlich langer als breit. Sie kann beispielsweise etwa 10 /um breit und 100 /um lang sein. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein die Maße wesentlich größer zu wählen, beispielsweise eine Breite von 100 /um und eine Länge von etwa 2000 /um. Die Dicke der Widerstandsbahn 12 kann beispielsweise 1 /um bis 20 /um gewählt werden. Die Breite der ohmschen Kontakte 8 und 10 beträgt beispielsweise etwa 50 /um bis 500 /um. Durch diese Gestaltung erhält man jeweils große Kontaktflächen der ohmschen Kontakte 8 und 10 und damit einen entsprechend niedrigen Kontaktwiderstand und eine kleine hochohmige Widerstandsbahn 12. Dadurch werden Einflüsse auf das Meßergebnis, die beispielsweise durch Zuleitungen verursacht werden können, unterbunden.

In einer besonders einfachen Ausführungsform des Druck sensors kann sich die Widerstandsbahn 12 auch über die ganze Breite des Substrats erstrecken.

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•J-

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In einer weiteren Ausführungsform eines Drucksensors nach Figur 3 besteht der Halbleiterkörper 2 aus einem semiisolierenden Gallium-Arsenid-Substrat 4, das mit Hilfe von Dotierungsstoffen, beispielsweise Sauerstoff oder Chrom, hochohmig ist. Die gegenüberliegenden Flachseiten des Substrats 4 sind jeweils mit einer Epitaxieschicht 6 versehen, die aus der Mischkristallreihe Gallium-Aluminium-Arsen in der Zusammensetzung Ga. Al As bestehen kann. Die Kontaktierung erfolgt jeweils an den Enden der Epitaxieschichten 6 durch ohmsche Kontakte 8 und 10, die beispielsweise aus Gold-Germanium-Legierungen oder aus mehreren Legierungsschichten,beispielsweise einer Gold-Germanium-Legierung, einer Nickel-Chrom-Legierung und Gold bestehen können. Die Stirnseiten des Substrats 4 können vorzugsweise jeweils als Fortsatz 14 gestaltet sein.

Durch die Verwendung der Mischkristalle Ga. Al As oder GaAs_1-P als Epitaxieschicht 6 kann man einen vorbestimmten Druckbereich auswählen, in dem die Widerstands-Druck-Kennlinie linear ist. Durch diese Gestaltung hat man die Möglichkeit gleichzeitig zwei verschiedene Drücke zu messen, beispielsweise den Druck in einem Gefäß und den Druck außerhalb des Gefässes.

In Figur 4 ist ein Miniaturdruckwandler mit einer Membrane 16 dargestellt, die beispielsweise aus einer p-leitenden Epitaxieschicht 6 besteht. Diese Epitaxieschicht 6, die aus der Mischkristallreihe Gallium-Aluminium-Arsen in der Zusammensetzung Ga. Al As oder aus der Reihe Gallium-Arsen-Phosphor in der Zusammensetzung GaAs. P bestehen kann, ist auf ein semiisolierendes Gallium-Arsenid-Substrat 4 aufgewachsen, das durch eine selektive Ätzung zum

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Tragring gestaltet ist. Auf der Epitaxieschicht 6 ist eine zweite η-leitende Epitaxieschicht 18, die aus einem Mischkristall, beispielsweise Ga^_xAl_xAs besteht, aufgewachsen. Diese Epitaxieschicht 18 kann beispielsweise mittels Zinkdiffusion oder auch Protonenimplantation mit in der Figur nicht dargestellten druckempfindlichen Dehnungsmeßstreifen versehen sein, die vorzugsweise eine Meßbrücke bilden können. Durch diese Gestaltung wird die Empfind- ■ lichkeit des Drucksensors noch wesentlich vergrößert. Die Erhöhung der Empfindlichkeit beruht dabei nicht nur auf der Membranwirkung, sondern zusätzlich auch darauf, daß sich der energetische Abstand der eng benachbarten Minima schneller ändert. Wenn zusätzlich zur hydrostatischen Druckkomponente uniaxiale Druckkomponenten auftreten, erfolgt ein Aufspalten der X- und L-Minima.

12 Patentansprüche
4 Figuren

·#■

Leerseite

Claims

Patentansprüche

-β- VPA 82 P 3 1 O 3 DE

( Λ J Drucksensor mit einem Halbleiterkörper (2), dadurch gekenn z.eichnet, daß ein Substrat (4) aus einem Verbindungshalbleiter mit einer Epitaxieschicht (6) aus einem Mischkristall versehen ist, bei dem verschiedene Leitungsbandminima mit verschiedenen effektiven Massen energetisch • eng benachbart sind.
10

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Epitaxieschicht (6) aus einem ternären oder quaternären III-V-Verbindungshalbleiter besteht.

3. Drucksensor nach■Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Epitaxieschicht (6) aus der Mischkristallreihe Gallium-Aluminium-Arsen in der Zusammensetzung Ga,, Al As besteht, bei der die Aluminiumkonzentration 0,19^x^0,43 ist.

4. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Epitaxieschicht

(6) aus der Mischkristallreihe Gallium-Arsen-Phosphor in der Zusammensetzung GaAs., P besteht, bei der die Phosphorkonzentration 0,25^y^0,45 ist.

5. Drucksensor nach Anspruch 1, dadu.rch g e kennzeichnet, daß ein semiisolierendes Substrat (4) aus hochohmigera Gallium-Arsenid GaAs vorgesehen ist, und daß die Epitaxieschicht (6) aus η-leitendem Gallium-Aluminium-Arsen in der Zusammensetzung n-Ga,, Al As besteht und als Widerstandsbahn (12) ausgebildet ist (Fig. 2).

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6. Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Widerstandsbahn (12) an ihren Enden mit ohmschen Kontakten (8, 10) versehen ist, deren Breite wesentlich größer als die Breite der Widerstandsbahn (12) ist (Fig. 2).

7. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die einander gegenüberliegenden Flachseiten des Substrats (4) jeweils mit einer Epitaxieschicht (6) versehen sind (Fig. 3).

8. Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Stirnseiten jeweils mit einem Fortsatz (14) des Substrats (4) versehen sind (Fig. 3).

9. Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Epitaxieschichten (6) an ihren Enden jeweils mit ohmschen Kontakten (8, 10) versehen sind (Fig. 3).

10. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Epitaxieschicht

(6) als Membrane (16) gestaltet ist (Fig. 4).

.11. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit aus Substrat (4) und Epitaxieschicht (6) als Tragring ausgebildet ist, der die scheibenförmige Membrane

(16) aus der Epitaxieschicht (6) einschließt (Fig. 4).

12. Drucksensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Epitaxieschicht (6) mit einer weiteren Epitaxieschicht (18) mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp versehen ist (Fig. 4).