EP1913372A1 - Wide-gap semiconductor sensor with insulating cover layer - Google Patents

Wide-gap semiconductor sensor with insulating cover layer

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Publication number
EP1913372A1
EP1913372A1 EP06776682A EP06776682A EP1913372A1 EP 1913372 A1 EP1913372 A1 EP 1913372A1 EP 06776682 A EP06776682 A EP 06776682A EP 06776682 A EP06776682 A EP 06776682A EP 1913372 A1 EP1913372 A1 EP 1913372A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor according
semiconductor sensor
electronic component
semiconductor
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06776682A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Mike Kunze
Ingo Daumiler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Microgan GmbH
Original Assignee
Microgan GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Microgan GmbH filed Critical Microgan GmbH
Publication of EP1913372A1 publication Critical patent/EP1913372A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor sensor for determining physical and / or chemical properties of a medium.
  • fluids in particular liquids or gases, are referred to as the medium.
  • the present invention relates to a pH sensor for determining the pH of a liquid.
  • the basis for such sensors are electronic semiconductor components, in the present case based on so-called "wide bandgap semiconductors" or semiconductors with a large band gap, wherein the band gap is> 2 eV
  • Such semiconductors are, for example, in the material systems gallium nitride (US Pat.
  • field-effect transistors for example HEMT, MODFET, MESFET or so-called ⁇ -FET (volume semiconductors with pulse-shaped doping profile) are suitable as embodiments for the semiconductor components.
  • Semiconductor materials suitable as bulk material for such electronic components.
  • HEMT a high electron mobility transistor
  • MODFET modulation-doped field effect transistor
  • MESFET metal-semiconductor field-effect transistor
  • ⁇ -FET MESFET in which a doping pulse with a high concentration was placed near the surface
  • SIT static induction transistor
  • HBT heterostructure bipolar transistor
  • Such an ion-sensitive semiconductor sensor is shown, for example, in DE 100 62 044 A1.
  • This sensor has a field effect transistor with a heterostructure of group III nitrides, which is formed as a HEMT structure.
  • the uppermost layer of the layer sequence comes into direct contact with the medium to be measured during the measurement.
  • a functional layer which selectively passes certain ions to be determined.
  • the transmitted ions occur on the gate surface or GaN surface of the layer sequence and trigger there directly the sensor effect.
  • ion exchangers e.g. Zeolites, proposed.
  • a conductive ceramic which is selectively permeable to ionized hydrogen atoms, to the uppermost layer of the devices.
  • Suitable material for this purpose are the materials known under the name Ormocere. lien.
  • a III-V semiconductor such as GaN or AlGaN is outstandingly suitable due to its polarity and the surface charges in order to achieve a pH sensitivity to solutions or other media.
  • the semiconductor sensor has an electronic component with a sensitive surface.
  • the electronic component is based on semiconductors with a large band gap, in particular of III-V semiconductors.
  • the sensitive surface is at least partially coated with a functional layer sequence, wherein the functional layer sequence in turn has an ion-sensitive surface, however, for the medium and / or the ions or substances to be determined is impermeable.
  • the uppermost layer of the functional layer sequence is chemically resistant. Furthermore, it is of considerable advantage if at least one of the layers of the functional layer sequence acts as at least ion-selective diffusion barrier layer for the ions to be determined.
  • Semiconductors with a large band gap such as, for example, diamond, gallium nitride (GaN) or silicon carbide (SiC), are particularly advantageously used for the semiconductor sensors according to the invention.
  • GaN gallium nitride
  • SiC silicon carbide
  • a functional layer or layer sequence is therefore applied to the sensitive layer according to the invention. It merely fulfills an intermediary role to the surface of the semiconductor component, wherein it is not permeable, for example, to the ions or substances themselves to be measured, for example hydrogen ions.
  • the electronic components can be constructed laterally or vertically. Various types of transistors are suitable for this purpose, for example HEMT, MODFET, MESFET, ⁇ -FET or also HBT.
  • the gate electrode is formed by the sensitive surface of the electronic component, possibly in conjunction with the medium located above the functional layer sequence.
  • Suitable materials for the sensitive surface of the electronic component are aluminum nitride, gallium nitride, indium nitride or aluminum gallium nitride of the formula Al x Gai -x N or indium gallium nitride of the formula In x Ga 1-x N, where 0.01 ⁇ x ⁇ 0.3.
  • Another material is indium aluminum nitride In x Al x . X N, where 0 ⁇ x ⁇ l.
  • the uppermost or another layer of the functional tional layer sequence which chemically possible inert, should be impermeable chemically stable and for the medium or ions or substances that are suitable oxides, especially metal oxides such as titanium oxide (TiO 2), alumina (Al 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO), iron oxide (Fe 2 O 3 ), chromium-titanium oxide (Cri, 8 Ti 0 , 2 O 3 ), tungsten oxide (WO 3 ), indium oxide (In 2 O 3 ), or Lanthanum iron oxide " (LaFeO 3 ), or metals, ceramics or nitride-based materials such as titanium nitride or silicon nitride .Carbon-containing compounds such as diamond or diamond-like carbon (DLC) are suitable for this purpose.
  • metal oxides such as titanium oxide (TiO 2), alumina (Al 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO), iron oxide (Fe 2 O 3 ), chromium-titan
  • an adhesion-promoting layer can be arranged in order to bond the functional layer sequence better to the electronic component.
  • Suitable materials for the adhesion-promoting layer include titanium, aluminum, titanium-tungsten alloys, silicon or various polymers.
  • the entire sensor can be encapsulated with the exception of its sensitive surface. This can be done, for example, by casting in epoxy resin and / or in polyimides.
  • the electronic component may be arranged directly or via intermediate layers on a substrate, for example of silicon, sapphire, silicon carbide, diamond, iridium or the like.
  • a buffer interlayer for example of gallium nitride, aluminum nitride, aluminum gallium nitride, diamond and / or combinations thereof, can furthermore be arranged between the substrate and the component.
  • the electronic component is optionally arranged on a carrier, for example by gluing, soldering and / or flip-chip technology.
  • the semiconductor sensor according to the invention is outstandingly suitable for relative and absolute measurements of chemical and / or physical parameters.
  • two similar sensors can be placed together on a substrate or carrier.
  • several signals can be obtained over which possibly can be telt.
  • Another possibility is to cover one of the sensors arranged in this way on its sensitive surface with an inert material. Consequently, this sensor is not influenced by the medium and can therefore be used to determine other variables which are not relevant to the sensor, for example for determining the temperature and its influence on the sensor signal.
  • the sensors according to the invention are particularly suitable for determining the H + / H 3 O + concentration or the OH ' concentration, ie as pH sensors or for determining the O 2 concentration, ie as oxygen sensors.
  • the sensors according to the invention are suitable not only for the measurement in the range of room temperature, but in particular also at higher temperatures between
  • FIG. 1 shows a semiconductor sensor according to the invention
  • FIG. 2 shows a cross section of a corresponding semiconductor sensor according to the invention
  • FIG. 4 shows a cross section through a further sensor according to the invention
  • FIG. 5 shows a cross section through a further sensor according to the invention
  • FIG. 6 shows a cross section and a plan view of a further sensor according to the invention with a plurality of sensor elements
  • FIG. 7 shows the plan view of a further semiconductor sensor according to the invention.
  • FIG. 1 shows a semiconductor sensor 1 as an ion sensor in cross section in plan view.
  • the semiconductor sensor 1 comprises a semiconductor material 3. On the side of two opposite sides of the cross-sectionally rectangular semiconductor material 4 there are electrical contacts 5a, 5b against which the generated sensor signal is applied. These contacts 5a and 5b are typically ohmic contacts, but may also be made as blocking contacts.
  • the semiconductor material 3 is packed with a material 6 which is resistant to the medium to be measured and additionally insulating. For this purpose can For example, an epoxy resin can be used. Only the region 8 is recessed from this insulation, so that the region 8 represents an opening in which the semiconductor material may come into contact with the medium to be examined. In this region 8, however, the semiconductor material is coated with a functional layer 4, so that this contact is only indirect.
  • the material of this functional layer 4 is as chemically inert as possible and impermeable to ions.
  • impermeable layer systems are preferred for ions, which for a single-layer system means an ion-impermeable layer, whereas in multilayer systems only at least one or individual layers should be impermeable at least to the ions to be determined, while other layers should be partially or completely permeable to ions or other substances.
  • the mode of functioning of the functional layer 4 can be explained as follows: It is intended to allow a chemical binding of ions from the medium to be investigated, but to completely or partially prevent the passage onto the semiconductor surface.
  • the chemical bond causes the conversion of the chemical concentration of at least one component of the medium into an electrical variable, such as the potential at the surface of the functional layer, and consequently results in an electrical parameter (such as the polarization). Tential) on the semiconductor surface of the device itself. This acts on the semiconductor and is exploited to cause an electrical change (for example, the charge carrier density or space charge zone and thus ultimately the current and / or the capacitance) in the semiconductor.
  • various materials such as oxides, nitrides, metals or ceramics as well as the respective oxides, mixtures, stoichiometric or non-stoichiometric compounds or alloys can be used.
  • This functional layer sequence preferably consists of a multilayer system, each layer assuming specific tasks.
  • a three-layer system can be selected in which the lowermost layer (directly in contact with the semiconductor) serves as adhesion promoter (may be, for example, titanium or Al or TiW, Si, polymer, or the like).
  • the middle layer is chosen so as to prevent diffusion of at least some or even all ions to the semiconductor surface.
  • the uppermost layer in direct contact with the medium under investigation) can be freely selected, "erzrelen ⁇ .
  • Layers are chosen to be at least as high that their function is fulfilled, but as thin as possible to ensure a low-loss potential transfer to the semiconductor surface. Likewise, these layers can be structured to be targeted in specific areas from the surface make individual layers accessible (for example, to make electrical contact with a layer).
  • titanium oxide applied by sputtering deposition or electrochemical deposition as well as by subsequent oxidation of titanium layers with thicknesses between 5 nm and 20 nm applied to the semiconductor surface achieves a functionality of the sensors specifically for determining pH values.
  • the layers produced by subsequent oxidation need not have a stoichiometric compound or, preferably, in a particular one
  • Crystallinity may be present, but may, for example, preferably characterized by an excess of a component (such as oxygen or nitrogen over the metal). This can be specifically exploited to set about the dielectric constant or the electrical resistance.
  • a component such as oxygen or nitrogen over the metal
  • the electrically active layer 3 consists, for example, of at least two layers: a lower GaN and an upper AlGaN layer. Structures with a comparatively low Al content x between 1% and 15%, which are typical for conventional AlGaN / GaN transistors, are preferred with a small thickness of the AlGaN layer (typically between 0 and 20 nm, otherwise 20 to 30 nm).
  • the lower Al content leads to moderate charge carrier layer concentrations (not in the 10 13 cm "2 range as usual, but in the
  • the smaller thickness is due to its influence on the conduction band discontinuity with responsible for the comparatively lower charge carrier On the whole, a higher sensitivity of the semiconductor component to potential changes at the surface can be achieved.
  • these are, for example, structures in the material system GaN or diamond, which a) are either low-volume-doped (activated Charge carrier concentration in the range below 5 ⁇ 10 17 cm -3 ) with a thickness of the electrically active layer 3 in the range 10 to 500 nm or b) pulse doping (with activated charge carrier layer concentration in the range below
  • the distance to the semiconductor surface should be in the range 2 nm to 20 nm in order to achieve a high sensitivity.
  • the functional layer sequence 4 itself does not serve as gate insulator or gate oxide, as is the case, for example, with a silicon MOS system used in classical ISFET or CHEMFET applications.
  • the gate oxide in such silicon systems is imperative for the device function itself.
  • the functional layer is decoupled from the function of the electronic component implemented in the semiconductor material 3.
  • the sensitive surface is not directly regarded as a gate electrode or only in connection with the medium to be measured. Because this determines, for example, in a pH sensor, the proportion of OH " - or H + ions and thus the potential applied to the surface of the functional layer 4. This potential in turn determines the current flow between, for example, the source electrode and the drain electrode of the electronic component. It is therefore also possible with the aid of an electrode, for example of platinum, to apply an additional potential to the surface via the solution in order to control the electronic component, for example a field-effect transistor, or to define an operating point. In this case, a reference electrode is preferably used whose potential is always constant with respect to the solution.
  • the functional layer is advantageously titanium oxide in this example.
  • the encapsulation of the sensor with the outer insulation 6 is not required everywhere, especially not if the material properties of the semiconductor material 3 permit this in whole or in part. It may then be sufficient to apply the cover 6 only to the required areas, for example only to the areas surrounding the contact area 8 or to the terminals 5a, 5b.
  • the shape of the electrical contacts 5a, 5b can be adapted to the respective measurement method.
  • the basic form consists of a rectangular format for the contacts 5a, 5b, as can be seen in FIG.
  • a round structure may also be preferred.
  • Even acute-angled or point-shaped contact geometries can be used, for example, to generate targeted local high-field zones of an electric field.
  • the entire sensor 1 can in turn be arranged on a support. This can be done for example by gluing, soldering or flip-chip technology. This then allows integration into a circuit.
  • conductive traces may then be used on a substrate material that is communicated by a technique such as lithography be contacted with the contacts 5a and 5b with metallization, gluing, soldering, bonding or the like in order to produce an electrical contact from the sensor 1 to the measuring environment or to the evaluation electronics.
  • a counterelectrode is dispensed with in the determination of the pH, since the counterelectrode may itself have a pH dependency and thus an accurate determination of the pH value is not possible.
  • a reference electrode that is pH independent can be used regardless of how the pH sensor is wired.
  • the reference electrode always has the same potential with respect to a solution, regardless of the pH of the solution. With the help of such a reference sensor and the pH sensor, the pH of an unknown solution can then be determined.
  • a counter electrode is therefore only needed if the transistor is to be controlled via the solution or to characterize the pH sensor. However, this always takes place with a known pH solution.
  • the change in the drain-source current can be measured with a constant drain-source voltage.
  • the change in the drain-source voltage can be measured with a constant drain-source current.
  • FIG. 2 shows a further example of a sensor according to the invention. This is now shown in cross section, so that the layer structure can be seen below the functional layer 4.
  • a substrate 2 which in this example consists of silicon, sapphire, silicon carbide, diamond or iridium
  • a buffer layer 9 for example of gallium nitride, aluminum nitride, aluminum gallium nitride or diamond.
  • Another layer sequence 3 for example GaN / AlGaN / GaN or doped GaN forms the electronic component.
  • the electrical contact structures 5a, 5b which laterally delimit a functional layer sequence 4 of several layers.
  • FIG. 3 shows a vertical structure of a sensor, the layer sequence corresponding to that in FIG.
  • Such a vertical structure can be used, for example, in the case of bipolar transistors SiT or the like.
  • the electrical contacts 5a, 5b are therefore preferably located on the top or bottom side or top and bottom or etched structures on one side, but in different layers or etch depths. A deep etching of local areas of the top and bottom of the layer sequence can also be used.
  • the layer sequence of the layer substrate 2, buffer 9, semiconductor 3 and layer sequence 4a is corresponding to that in FIG.
  • the layer sequence 4a has an adjacent layer sequence 4b which extends in the vertical direction.
  • the contact 5a essentially contacts the buffer layer 9 and the layer sequence 4b, while the contact 5b contacts the electronic component 3 and the layer sequence 4a.
  • FIG. 5 shows a further sensor structure in which again the layer sequence comprising substrate 2, buffer 9 and semiconductor material 3 as well as layer sequence 4 corresponds to that in FIG.
  • the contacts 5a and 5b are also arranged as shown in FIG. 2 laterally of the layer sequence 4. However, they are connected to electrical connections 12a, 12b, which in turn are introduced into the layer sequence in the vertical direction. In this way it is possible to contact the sensor on its side facing away from the sensitive surface and the opening 8.
  • Such backside contact enables the con- timing and placement of the sensor on a board or carrier, without having to provide contacts on the front of the sensor. It is thus possible here to contact directly on the board or carrier applied electrical lines, such as conductors of a printed circuit board.
  • FIG. 6 shows, in sub-images A and B, a further sensor according to the invention which has individual sensor elements.
  • Figure 6A is a cross section in
  • the sensor has a total of three sensor elements 10a, 10b and 10c, which are connected via electrical lines 12a, 12b, 12c and 12d to contacts 5a, 5b, 5c and 5d.
  • the contact 5d is grounded, while the contacts 5a, 5b and 5c can be connected to a voltage source.
  • the geometries of the sensor elements 10a, 10b, 10c, which are formed by the sensitive surfaces of the functional layers 4 according to the invention, are different in size in the example shown in FIG. They may also be different in terms of other properties, so that the individual sensor elements respond to different ions or substances in still different ways.
  • the individual sensor elements can thus have the same function or different functions (sensitivity, sensitivity, etc.).
  • the surface of the sensor 1 is largely covered with an electrically insulating material 6. Not covered by the material 6 are the contacts 5a, 5b, 5c and 5d, as well as the openings 8a, 8b and 8c, which provide access to the medium Sensor elements 10a, 10b and 10c allow.
  • the overall dimension of the sensor element array 1 in the present example is 5 mm ⁇ 5 mm, while the sensor surfaces, which are defined by the sizes of the opening 8a,
  • a polyimide was used in this example.
  • the present invention enables a tremendous miniaturization of the sensors and thus also a duplication of the measurement options.
  • FIG. 7 shows a further sensor which is similar to that in FIG. In contrast to the sensor shown in FIG. 6B, however, the opening 8c of the sensor element 10c is covered. This shows that
  • Sensor element 10c no media sensitivity and is a blind sensor. However, with respect to all other parameters, this dummy sensor element has the same structure and structure as a normal sensor.
  • the sensor element 10c By means of the sensor element 10c it is now possible to determine changes in the sensor sensitivity of the sensor elements 10a and 10b etc. due to temperature change or other factors and to calibrate the normal sensor elements 10a and 10b or their signals measuring the medium accordingly. By means of this blind sample by means of the covered sensor element 10c, it is thus possible to compensate for other disturbing influences.

Abstract

The invention relates to a semiconductor sensor for determination of the physical and/or chemical properties of a medium, in particular a pH sensor, with an electronic component with a sensitive surface, the component (3) being made from wide-gap semiconductors, the sensitive surface of which is at least partly coated with a functional layer sequence, an ion-sensitive surface opposite the sensitive surface and the electronic component coated with at least one layer, wherein the functional layer sequence (4) is not permeable to the medium and/or the material or ions for determination.

Description

HALBLEITERSENSOR MIT GROSSER BANDLUCKE UND ISOLIERENDER DECKSCHICHT SEMICONDUCTOR SENSOR WITH LARGE BAND LUG AND INSULATING SURFACE
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleitersensor zur Bestimmung von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Mediums. Als Medium werden dabei Fluide, insbesondere Flüssigkeiten oder Gase bezeichnet. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen pH-Sensor zur Bestimmung des pH- Werts einer Flüssigkeit. Grundlage für derartige Sen- soren sind elektronische Halbleiterbauelemente, im vorliegenden Fall auf Basis von sog. „Wide-Bandgap- Halbleitern", bzw. Halbleiter mit großem Bandabstand, wobei der Bandabstand > 2 eV beträgt. Derartige Halbleiter liegen beispielsweise in den Materialsystemen Galliumnitrid (GaN) oder Diamant vor. Als Ausführungsformen für die Halbleiterbauelemente eignen sich insbesondere Feldeffekttransistoren, beispielsweise HEMT, MODFET, MESFET oder auch sog. δ-FET (Volumenhalbleiter mit pulsförmigem Dotierprofil) . Grundsätz- lieh sind jedoch sämtliche III-V- Halbleitermaterialien als Volumenmaterial für derartige elektronische Bauelemente geeignet.The present invention relates to a semiconductor sensor for determining physical and / or chemical properties of a medium. In this case, fluids, in particular liquids or gases, are referred to as the medium. In particular, the present invention relates to a pH sensor for determining the pH of a liquid. The basis for such sensors are electronic semiconductor components, in the present case based on so-called "wide bandgap semiconductors" or semiconductors with a large band gap, wherein the band gap is> 2 eV Such semiconductors are, for example, in the material systems gallium nitride (US Pat. In particular, field-effect transistors, for example HEMT, MODFET, MESFET or so-called δ-FET (volume semiconductors with pulse-shaped doping profile) are suitable as embodiments for the semiconductor components. Semiconductor materials suitable as bulk material for such electronic components.
Unter HEMT wird ein Transistor mit hoher Elektronen- beweglichkeit (high electron mobility transistor) , unter MODFET ein modulationsdotierter Feldeffekttransistor (modulation-doped field effect transistor) , unter MESFET ein Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (metal semiconductor FET) , unter δ-FET ein MESFET, bei dem nahe der Oberfläche ein Dotierpuls mit hoher Konzentration platziert wurde, unter SIT ein Static Induction Transistor und unter HBT ein He- terostruktur-Bipolartransistor (heterojunction bipolar transistor) verstanden.Under HEMT, a high electron mobility transistor, a modulation-doped field effect transistor under MODFET, a metal-semiconductor field-effect transistor under MESFET, under δ-FET MESFET, in which a doping pulse with a high concentration was placed near the surface, a static induction transistor under SIT and a heterostructure bipolar transistor under HBT.
Ein derartiger ionensensitiver Halbleitersensor ist beispielsweise in der DE 100 62 044 Al gezeigt. Dieser Sensor weist einen Feldeffekttransistor auf mit einer Heterostruktur aus Gruppe-III-Nitriden, die als HEMT-Struktur ausgebildet ist. Die oberste Schicht der Schichtfolge tritt bei der Messung in direkten Kontakt mit dem zu messenden Medium. Alternativ kann auf die oberste Schicht der Schichtfolge eine funktionelle Schicht aufgebracht werden, die bestimmte zu bestimmende Ionen selektiv durchlässt. In jedem Falle treten die durchgelassenen Ionen auf die Gate-Fläche bzw. GaN-Fläche der Schichtfolge und lösen dort unmittelbar den Sensoreffekt aus. Als derartige funktionelle Schichten werden insbesondere Ionentauscher, wie z.B. Zeolithe, vorgeschlagen.Such an ion-sensitive semiconductor sensor is shown, for example, in DE 100 62 044 A1. This sensor has a field effect transistor with a heterostructure of group III nitrides, which is formed as a HEMT structure. The uppermost layer of the layer sequence comes into direct contact with the medium to be measured during the measurement. Alternatively, it is possible to apply to the uppermost layer of the layer sequence a functional layer which selectively passes certain ions to be determined. In any case, the transmitted ions occur on the gate surface or GaN surface of the layer sequence and trigger there directly the sensor effect. As such functional layers, ion exchangers, e.g. Zeolites, proposed.
Im Falle von pH-Sensoren wird vorgeschlagen, eine leitende Keramik, die für ionisierte Wasserstoffatome selektiv durchlässig ist, auf die oberste Schicht der Bauelemente aufzubringen. Geeignetes Material hierfür sind die unter dem Namen Ormocere bekannten Materia- lien.In the case of pH sensors, it is proposed to apply a conductive ceramic, which is selectively permeable to ionized hydrogen atoms, to the uppermost layer of the devices. Suitable material for this purpose are the materials known under the name Ormocere. lien.
Zwar ist im Prinzip ein III-V-Halbleiter, wie GaN bzw. AlGaN aufgrund seiner Polarität und den Oberflä- chenladungen hervorragend geeignet, um eine pH- Empfindlichkeit gegenüber Lösungen oder anderen Medien zu erzielen. Nachteilig an diesen pH-Sensoren, wie sie auch oben für den Stand der Technik beschrieben sind, ist jedoch, dass die Signale nicht reprodu- zierbar sind und insbesondere ein derartiger pH- Sensor nicht chemisch resistent ist.In principle, a III-V semiconductor such as GaN or AlGaN is outstandingly suitable due to its polarity and the surface charges in order to achieve a pH sensitivity to solutions or other media. A disadvantage of these pH sensors, as described above for the prior art, however, is that the signals are not reproducible and in particular such a pH sensor is not chemically resistant.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Halbleitersensor zur Bestimmung von physikali- sehen und/oder chemischen Eigenschaften eines Mediums zur Verfügung zu stellen, der auf der Basis von Halbleitern mit großem Bandabstand stabile und reproduzierbare Signale erzeugt.It is therefore an object of the present invention to provide a semiconductor sensor for determining physical and / or chemical properties of a medium which generates stable and reproducible signals on the basis of semiconductors with a large band gap.
Diese Aufgabe wird durch den Halbleitersensor nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Halbleitersensors werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben. Verwendungen derartiger erfindungsgemäßer Sensoren werden im Anspruch 31 ge- nannt .This object is achieved by the semiconductor sensor according to claim 1. Advantageous developments of the semiconductor sensor according to the invention are given in the dependent claims. Uses of such inventive sensors are mentioned in claim 31.
Erfindungsgemäß weist der Halbleitersensor ein elektronisches Bauelement mit einer sensitiven Oberfläche auf . Das elektronische Bauelement ist auf der Basis von Halbleitern mit großer Bandlücke, insbesondere von III-V-Halbleitern aufgebaut. Erfindungsgemäß ist nun die sensitive Oberfläche zumindest bereichsweise mit einer funktionellen Schichtfolge beschichtet, wobei die funktionelle Schichtfolge ihrerseits eine io- nensensitive Oberfläche aufweist, jedoch für das Medium und/oder die zu bestimmenden Ionen bzw. Stoffe undurchlässig ist.According to the invention, the semiconductor sensor has an electronic component with a sensitive surface. The electronic component is based on semiconductors with a large band gap, in particular of III-V semiconductors. According to the invention, the sensitive surface is at least partially coated with a functional layer sequence, wherein the functional layer sequence in turn has an ion-sensitive surface, however, for the medium and / or the ions or substances to be determined is impermeable.
Wesentlich ist weiterhin hier vorteilhaft, wenn die oberste Schicht der funktionellen Schichtfolge che- misch beständig ist. Wesentlich vorteilhaft ist weiterhin, wenn zumindest eine der Schichten der funktionellen Schichtfolge als zumindest ionenselektive Diffusionssperrschicht für die zu bestimmenden Ionen wirkt .It is furthermore advantageous here if the uppermost layer of the functional layer sequence is chemically resistant. Furthermore, it is of considerable advantage if at least one of the layers of the functional layer sequence acts as at least ion-selective diffusion barrier layer for the ions to be determined.
Besonders vorteilhaft werden für die erfindungsgemäßen Halbleitersensoren Halbleiter mit großer Bandlücke, wie beispielsweise Diamant, Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumcarbid (SiC) verwendet. In Experimenten hat sich jedoch für das Materialsystem GaN gezeigt, dass bei Verwendung einer unbehandelten GaN- basierenden Oberfläche, bei der beispielsweise die oberste Schicht aus AlN, GaN, AlxGa1-xN oder anderen Verbindungen besteht, im Kontakt mit dem zu untersu- chenden Medium keine stabile und reproduzierbareSemiconductors with a large band gap, such as, for example, diamond, gallium nitride (GaN) or silicon carbide (SiC), are particularly advantageously used for the semiconductor sensors according to the invention. In experiments, however, it has been shown for the material system GaN that when using an untreated GaN-based surface in which, for example, the top layer consists of AlN, GaN, Al x Ga 1-x N or other compounds, in contact with the examined - no medium stable and reproducible
Funktionalität erreicht wird. Die Ursachen hierfür sind bislang nicht geklärt. Ähnliche Schwierigkeiten resultieren bei Anwendung reiner, insbesondere Wasserstoff-terminierter oder nur teilweise Sauerstoff- terminierter Diamantoberflächen.Functionality is achieved. The reasons for this have not yet been clarified. Similar difficulties result when using pure, in particular hydrogen-terminated or only partially oxygen-terminated diamond surfaces.
Um eine stabile und reproduzierbare Funktionalität zur Messung der Medien, beispielsweise von Gas, Flüssigkeit oder Gelen oder dergleichen, zu erreichen, wird also erfindungsgemäß auf die sensitive Schicht eine funktionelle Schicht bzw. Schichtfolge aufgebracht. Sie erfüllt lediglich eine Vermittlerrolle zur Oberfläche des Halbleiterbauelementes, wobei sie beispielsweise für die zu messenden Ionen oder Stoffe selbst, beispielsweise Wasserstoffionen, nicht durchlässig ist. Die elektronischen Bauelemente können lateral oder auch vertikal aufgebaut sein. Es eignen sich hierfür diverse Arten von Transistoren, beispielsweise HEMT, MODFET, MESFET, δ-FET oder auch HBT. Die Gateelektrode wird dabei durch die sensitive Oberfläche des elektronischen Bauelements ggf. in Verbindung mit dem über der funktionellen Schichtfolge befindlichen Medium gebildet.In order to achieve a stable and reproducible functionality for measuring the media, for example of gas, liquid or gels or the like, a functional layer or layer sequence is therefore applied to the sensitive layer according to the invention. It merely fulfills an intermediary role to the surface of the semiconductor component, wherein it is not permeable, for example, to the ions or substances themselves to be measured, for example hydrogen ions. The electronic components can be constructed laterally or vertically. Various types of transistors are suitable for this purpose, for example HEMT, MODFET, MESFET, δ-FET or also HBT. In this case, the gate electrode is formed by the sensitive surface of the electronic component, possibly in conjunction with the medium located above the functional layer sequence.
Für die sensitive Oberfläche des elektronischen Bauelements eignen sich als Materialien Aluminiumnitrid, Galliumnitrid, Indiumnitrid oder Aluminiumgalliumnitrid der Formel AlxGai-xN oder Indiumgalliumnitrid der Formel InxGa1-xN, wobei 0,01≤x≤0,3 gilt. Als weiteres Material ist auch Indiumaluminiumnitrid InxAlx.XN geeignet, wobei hier gilt 0<x<l.Suitable materials for the sensitive surface of the electronic component are aluminum nitride, gallium nitride, indium nitride or aluminum gallium nitride of the formula Al x Gai -x N or indium gallium nitride of the formula In x Ga 1-x N, where 0.01≤x≤0.3. Another material is indium aluminum nitride In x Al x . X N, where 0 <x <l.
Für die oberste oder eine andere Schicht der funktio- nellen Schichtfolge, die möglichst chemisch inert, chemisch beständig und für das Medium bzw. Ionen oder Stoffe undurchlässig sein soll, eignen sich Oxide, insbesondere Metalloxide, wie Titanoxid (TiO2), Aluminiumoxid (Al2O3) , Magnesiumoxid (MgO) , Eisenoxid (Fe2O3) , Chrom-Titan-Oxid (Cri,8Ti0,2O3) , Wolframoxid (WO3) , Indiumoxid (In2O3) , oder Lanthan-Eisen-Oxid" (LaFeO3) , bzw. Metalle, Keramik oder nitridbasierende Materialien, wie Titannitrid oder Siliziumnitrid. Auch kohlenstoffhaltige Verbindungen, wie Diamant o- der diamantartiger Kohlenstoff (DLC) sind hierfür geeignet. Besonders geeignet ist eine oxidische Schicht, wenn diese durch eine thermische Oxidation einer zuvor aufgebrachten Schicht, durch elektrochemische Abscheidung und/oder durch Sputterdeposition des Oxids selbst als Schicht hergestellt wird. Zwischen der funktionellen Schichtfolge und dem elektronischen Bauelement kann eine Haftvermittlungs- schicht angeordnet werden, um die funktionelle Schichtfolge besser an das elektronische Bauelement zu binden. Für die Haftvermittlungsschicht eignen sich Materialien, wie Titan, Aluminium, Titanwolframlegierungen, Silizium oder diverse Polymere.For the uppermost or another layer of the functional tional layer sequence, which chemically possible inert, should be impermeable chemically stable and for the medium or ions or substances that are suitable oxides, especially metal oxides such as titanium oxide (TiO 2), alumina (Al 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO), iron oxide (Fe 2 O 3 ), chromium-titanium oxide (Cri, 8 Ti 0 , 2 O 3 ), tungsten oxide (WO 3 ), indium oxide (In 2 O 3 ), or Lanthanum iron oxide " (LaFeO 3 ), or metals, ceramics or nitride-based materials such as titanium nitride or silicon nitride .Carbon-containing compounds such as diamond or diamond-like carbon (DLC) are suitable for this purpose. when made by thermal oxidation of a previously deposited layer, by electrochemical deposition and / or sputter deposition of the oxide itself as a layer. Between the functional layer sequence and the electronic component, an adhesion-promoting layer can be arranged in order to bond the functional layer sequence better to the electronic component. Suitable materials for the adhesion-promoting layer include titanium, aluminum, titanium-tungsten alloys, silicon or various polymers.
Der gesamte Sensor kann mit Ausnahme seiner sensiti- ven Oberfläche gekapselt werden. Dies kann beispielsweise durch Vergießen in Epoxidharz und/oder in PoIy- imide erfolgen.The entire sensor can be encapsulated with the exception of its sensitive surface. This can be done, for example, by casting in epoxy resin and / or in polyimides.
Das elektronische Bauelement kann unmittelbar oder über Zwischenschichten auf einem Substrat, beispielsweise aus Silizium, Saphir, Siliziumcarbid, Diamant, Iridium oder dergleichen angeordnet sein. Zwischen Substrat und Bauelement kann weiterhin eine Pufferzwischenschicht, beispielsweise aus Galliumnitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumgalliumnitrid, Diamant und/oder Kombinationen hiervon, angeordnet sein. Das elektronische Bauelement wird zur besseren Handhabbarkeit ggf. auf einem Träger angeordnet, beispielsweise durch Kleben, Löten und/oder Flip-Chip-Technik.The electronic component may be arranged directly or via intermediate layers on a substrate, for example of silicon, sapphire, silicon carbide, diamond, iridium or the like. A buffer interlayer, for example of gallium nitride, aluminum nitride, aluminum gallium nitride, diamond and / or combinations thereof, can furthermore be arranged between the substrate and the component. For better handling, the electronic component is optionally arranged on a carrier, for example by gluing, soldering and / or flip-chip technology.
Weiterhin werden elektrische Außenkontakte vorgesehen, mit denen das Sensorsignal abgeleitet werden kann. Der erfindungsgemäße Halbleitersensor eignet sich hervorragend zur relativen und absoluten Messun- gen von chemischen und/oder physikalischen Parametern.Furthermore, electrical external contacts are provided with which the sensor signal can be derived. The semiconductor sensor according to the invention is outstandingly suitable for relative and absolute measurements of chemical and / or physical parameters.
Zur weiteren Verbesserung der Sensorgenauigkeit können zwei gleichartige Sensoren gemeinsam auf einem Substrat oder Träger angeordnet werden. So können mehrere Signale erzielt werden, über die ggf. gemit- telt werden kann.To further improve sensor accuracy, two similar sensors can be placed together on a substrate or carrier. Thus, several signals can be obtained over which possibly can be telt.
Eine weitere Möglichkeit ist es, einen der so angeordneten mehreren Sensoren auf seiner sensitiven Oberfläche mit einem inerten Material abzudecken. Dieser Sensor wird folglich durch das Medium nicht beeinflusst und kann daher zur Ermittlung anderer, nicht sensorrelevanter Größen herangezogen werden, beispielsweise zur Bestimmung der Temperatur und ih- res Einflusses auf das Sensorsignal.Another possibility is to cover one of the sensors arranged in this way on its sensitive surface with an inert material. Consequently, this sensor is not influenced by the medium and can therefore be used to determine other variables which are not relevant to the sensor, for example for determining the temperature and its influence on the sensor signal.
Die erfindungsgemäßen Sensoren eignen sich insbesondere zur Bestimmung der H+/H30+-Konzentration bzw. der OH'-Konzentration, d.h. als pH-Sensoren oder zur Be- Stimmung der 02-Konzentration, d.h. als Sauerstoff- sensoren.The sensors according to the invention are particularly suitable for determining the H + / H 3 O + concentration or the OH ' concentration, ie as pH sensors or for determining the O 2 concentration, ie as oxygen sensors.
Die erfindungsgemäßen Sensoren eignen sich nicht nur zur Messung im Bereich der Raumtemperatur, sondern insbesondere auch bei höheren Temperaturen zwischenThe sensors according to the invention are suitable not only for the measurement in the range of room temperature, but in particular also at higher temperatures between
50 0C und 500 0C, insbesondere im Bereich zwischen 150 0C und 450 0C.50 0 C and 500 0 C, in particular in the range between 150 0 C and 450 0 C.
Im Folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemä- ßer Halbleitersensoren beschrieben. Dabei werden für gleiche und ähnliche Elemente gleiche bzw. ähnliche Bezugszeichen verwendet. Weiterhin ist die nachfolgende Beschreibung der Beispiele erfindungsgemäßer Halbleitersensoren so zu verstehen, dass nicht nur sämtliche in einem Beispiel im Zusammenhang miteinander beschriebenen Merkmale als Einheit beansprucht werden, sondern auch die einzelnen Merkmale in weiteren nicht hier im Detail ausgeführten Kombinationen untereinander bzw. einzeln für sich Teil der vorlie- genden Erfindung sind. Es zeigenIn the following, some examples of semiconductor sensors according to the invention will be described. The same or similar reference numerals are used for the same and similar elements. Furthermore, the following description of the examples of semiconductor sensors according to the invention is to be understood as claiming not only all the features described in an example in relation to each other as a unit, but also the individual features in further combinations not detailed here in detail of the present invention. Show it
Figur 1 einen erfindungsgeraäßen Halbleitersensor;FIG. 1 shows a semiconductor sensor according to the invention;
Figur 2 einen Querschnitt eines entsprechenden erfindungsgemäßen Halbleitersensors ;FIG. 2 shows a cross section of a corresponding semiconductor sensor according to the invention;
Figur 3 den Querschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Sensor,-3 shows the cross section through a further sensor according to the invention,
Figur 4 einen Querschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Sensor;FIG. 4 shows a cross section through a further sensor according to the invention;
Figur 5 einen Querschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Sensor;FIG. 5 shows a cross section through a further sensor according to the invention;
Figur 6 einen Querschnitt und eine Aufsicht auf einen weiteren erfindungsgemäßen Sensor mit mehreren Sensorelementen; undFIG. 6 shows a cross section and a plan view of a further sensor according to the invention with a plurality of sensor elements; and
Figur 7 die Aufsicht auf einen weiteren erfindungsgemäßen Halbleitersensor.FIG. 7 shows the plan view of a further semiconductor sensor according to the invention.
Figur 1 zeigt einen Halbleitersensor 1 als Ionensen- sor im Querschnitt in der Aufsicht.FIG. 1 shows a semiconductor sensor 1 as an ion sensor in cross section in plan view.
Der Halbleitersensor 1 weist ein Halbleitermaterial 3 auf . Seitlich an zwei gegenüberliegenden Seiten des im Querschnitt rechteckigen Halbleitermaterials 4 be- finden sich elektrische Kontakte 5a, 5b, an denen das erzeugte Sensorsignal anliegt. Diese Kontakte 5a und 5b sind typischerweise Ohmsche Kontakte, können jedoch auch als sperrende Kontakte ausgeführt werden. Das Halbleitermaterial 3 ist mit einem Material 6 verpackt, das resistent ist gegenüber dem zu messenden Medium und zusätzlich isolierend. Hierzu kann beispielsweise ein Expoxiharz verwendet werden. Lediglich der Bereich 8 ist von dieser Isolierung ausgespart, so dass der Bereich 8 eine Öffnung darstellt, in der das Halbleitermaterial in Kontakt mit dem zu untersuchenden Medium geraten kann. In diesem Bereich 8 ist jedoch das Halbleitermaterial mit einer funktionellen Schicht 4 beschichtet, so dass dieser Kontakt lediglich indirekt ist. Das Material dieser funktionellen Schicht 4 ist dabei möglichst chemisch inert und für Ionen undurchlässig.The semiconductor sensor 1 comprises a semiconductor material 3. On the side of two opposite sides of the cross-sectionally rectangular semiconductor material 4 there are electrical contacts 5a, 5b against which the generated sensor signal is applied. These contacts 5a and 5b are typically ohmic contacts, but may also be made as blocking contacts. The semiconductor material 3 is packed with a material 6 which is resistant to the medium to be measured and additionally insulating. For this purpose can For example, an epoxy resin can be used. Only the region 8 is recessed from this insulation, so that the region 8 represents an opening in which the semiconductor material may come into contact with the medium to be examined. In this region 8, however, the semiconductor material is coated with a functional layer 4, so that this contact is only indirect. The material of this functional layer 4 is as chemically inert as possible and impermeable to ions.
Für die funktionelle Schicht 4 können mehrere Arten unterschieden werden, die sich bezüglich ihrer Durchlässigkeit gegenüber bestimmten Ionen aus dem zu un- tersuchenden Medium sowie über die Zahl der Schichten dieses Schichtsystems unterscheiden. In der vorliegenden Erfindung werden für Ionen insgesamt undurchlässige Schichtsysteme bevorzugt, wobei dies für ein EinschichtSystem eine insgesamt für Ionen undurchläs- sige Schicht bedeutet, während bei Mehrschichtsystemen lediglich mindestens eine oder einzelne Schichten zumindest für die zu bestimmenden Ionen undurchlässig sein sollten, während andere Schichten teilweise oder ganz für Ionen oder andere Stoffe durchlässig sein können.For the functional layer 4, several types can be distinguished, which differ in terms of their permeability to certain ions from the medium to be investigated as well as the number of layers of this layer system. In the present invention, impermeable layer systems are preferred for ions, which for a single-layer system means an ion-impermeable layer, whereas in multilayer systems only at least one or individual layers should be impermeable at least to the ions to be determined, while other layers should be partially or completely permeable to ions or other substances.
Die Funktionsweise der funktionellen Schicht 4 kann wie folgt erklärt werden: Sie soll eine chemische Bindung von Ionen aus dem zu untersuchenden Medium ermöglichen, jedoch den Durchlass auf die Halbleiteroberfläche ganz oder teilweise verhindern. Durch die chemische Bindung wird die Umwandlung der chemischen Konzentration mindestens einer Komponente des Mediums in eine elektrische Größe, etwa das Potential an der Oberfläche der funktionellen Schicht, bewirkt und in Folge somit eine elektrische Kenngröße (etwa das Po- tential) an der Halbleiteroberfläche des Bauelementes selbst verändert. Dies wirkt auf den Halbleiter ein und wird ausgenutzt, um eine elektrische Änderung (beispielsweise der Ladungsträgerdichte oder Raumla- dungszone und somit letztlich des Stromes und/oder der Kapazität) im Halbleiter hervorzurufen.The mode of functioning of the functional layer 4 can be explained as follows: It is intended to allow a chemical binding of ions from the medium to be investigated, but to completely or partially prevent the passage onto the semiconductor surface. The chemical bond causes the conversion of the chemical concentration of at least one component of the medium into an electrical variable, such as the potential at the surface of the functional layer, and consequently results in an electrical parameter (such as the polarization). Tential) on the semiconductor surface of the device itself. This acts on the semiconductor and is exploited to cause an electrical change (for example, the charge carrier density or space charge zone and thus ultimately the current and / or the capacitance) in the semiconductor.
Als funktionelle Schichtfolge 4 können verschiedene Materialien wie etwa Oxide, Nitride, Metalle oder Ke- ramiken sowie auch die jeweiligen Oxide, Mischungen, stöchiometrische oder nichtstöchiometrische Verbindungen oder Legierungen eingesetzt werden.As a functional layer sequence 4, various materials such as oxides, nitrides, metals or ceramics as well as the respective oxides, mixtures, stoichiometric or non-stoichiometric compounds or alloys can be used.
Bevorzugt besteht diese funktionelle Schichtfolge aus einem Mehrschichtsystem, wobei jede Schicht bestimmte Aufgaben übernimmt. Beispielsweise kann ein Dreischichtsystem gewählt werden, bei dem die unterste Schicht (direkt in Kontakt zum Halbleiter) als Haftvermittler dient (kann etwa Titan sein oder Al oder TiW, Si, Polymer, o.a.). Die mittlere Schicht wird so gewählt, dass eine Diffusion von zumindest bestimmten oder sogar allen Ionen zur Halbleiteroberfläche verhindert wird. Die oberste Schicht (in direktem Kontakt zum untersuchenden Medium) kann frei gewählt werden, um eine hohe effektive Selektivität auf bestimmte" Ionen oder Mengen" zu "erzrelen~. Dies kann "beispielsweise Titan-Oxid, Si-Oxid, AI-Oxid, Si-Nitrid (jeweils stöchiometrisch oder auch nichtstöchio- metrisch) oder auch ein Metall wie etwa Platin oder eine Verbindung sein. Die entsprechenden Dicken derThis functional layer sequence preferably consists of a multilayer system, each layer assuming specific tasks. For example, a three-layer system can be selected in which the lowermost layer (directly in contact with the semiconductor) serves as adhesion promoter (may be, for example, titanium or Al or TiW, Si, polymer, or the like). The middle layer is chosen so as to prevent diffusion of at least some or even all ions to the semiconductor surface. The uppermost layer (in direct contact with the medium under investigation) can be freely selected, "erzrelen ~. This can" to a high effective selectivity to certain "ions or amounts" for example, titanium oxide, Si oxide, Al oxide, Si -Nitride (each stoichiometric or non-stoichiometric) or a metal such as platinum or a compound. The corresponding thicknesses of
Schichten werden mindestens so hoch gewählt, dass ihre Funktion erfüllt wird, jedoch so dünn wie möglich, um eine möglichst verlustarme Potentialübertragung an die Halbleiteroberfläche zu gewährleisten. Ebenso können diese Schichten strukturiert werden, um gezielt in bestimmten Bereichen von der Oberfläche aus einzelne Schichten zugänglich zu machen (beispielsweise um elektrischen Kontakt zu einer Schicht herzustellen) .Layers are chosen to be at least as high that their function is fulfilled, but as thin as possible to ensure a low-loss potential transfer to the semiconductor surface. Likewise, these layers can be structured to be targeted in specific areas from the surface make individual layers accessible (for example, to make electrical contact with a layer).
Es zeigt sich, dass sowohl durch Sputterdeposition oder elektrochemische Abscheidung aufgebrachtes Titan-Oxid als auch durch nachträgliche Oxidation von auf die Halbleiteroberfläche aufgebrachten Titan- Schichten mit Dicken zwischen 5 nm und 20 nm eine Funktionalität der Sensoren speziell zur Bestimmung von pH-Werten erzielen lässt.It can be seen that titanium oxide applied by sputtering deposition or electrochemical deposition as well as by subsequent oxidation of titanium layers with thicknesses between 5 nm and 20 nm applied to the semiconductor surface achieves a functionality of the sensors specifically for determining pH values.
Die durch nachträgliche Oxidation erzeugten Schichten müssen zudem keine stöchiometrische Verbindung auf- weisen oder etwa bevorzugt in einer bestimmtenIn addition, the layers produced by subsequent oxidation need not have a stoichiometric compound or, preferably, in a particular one
Kristallinität vorliegen, sondern können sich beispielsweise bevorzugt durch einen Überschuss einer Komponente (etwa Sauerstoff oder Stickstoff gegenüber dem Metall) auszeichnen. Dies kann gezielt ausgenutzt werden, um etwa die dielektrische Konstante oder den elektrischen Widerstand einzustellen.Crystallinity may be present, but may, for example, preferably characterized by an excess of a component (such as oxygen or nitrogen over the metal). This can be specifically exploited to set about the dielectric constant or the electrical resistance.
Darüber hinaus konnte an den genannten Titan-Oxid- Schichten eine Beständigkeit gegenüber Laugen und Säuren sowie einem mehrfachen CIP-Testzyklus (Clean- In-Place--Testzyklus)- unter Verwendung von NaOH und HNO3 festgestellt werden. Damit eröffnen sich auch Anwendungsmöglichkeiten im Bereich etwa der Nahrungsmittelherstellung oder der pharmazeutischen Indust- rie . Durch die Verwendung des Wide-Bandgap-Halb- leiters ist auch der Betrieb bei Temperaturen oberhalb der Raumtemperatur möglich, etwa bei Temperaturen zwischen 50 und 5000C, bevorzugt im Bereich 1500C bis 45O0C. Besonders geeignet in Kombination mit der funktionellen Schicht 4 sind Halbleiterstrukturen 3, die bei geringer Potentialänderung eine hohe Signalantwort unter vorgegebenen Bedingungen wie etwa bestimmtem Betriebs-Strom oder -Spannung liefern (um beispielsweise Aufheizeffekte zu vermeiden oder eine Betriebsspannung unterhalb der Dissoziationsspannung des zu untersuchenden Mediums zu ermöglichen) :In addition, a resistance to lyes and acids as well as a multiple CIP (Clean-In-Place - Test Cycle) test cycle using NaOH and HNO 3 could be detected on the titanium oxide layers mentioned above. This also opens up applications in the area of food production or the pharmaceutical industry. By using the wide band gap semi-conductor and the operation at temperatures above room temperature is possible, for instance at temperatures between 50 and 500 0 C, preferably from 150 0 C to 45O 0 C. Particularly suitable in combination with the functional layer 4 are semiconductor structures 3, which provide a high signal response under predetermined conditions such as certain operating current or voltage at low potential change (for example, to avoid heating effects or an operating voltage below the dissociation of the medium to be examined enable) :
1. Im Fall von beispielsweise AlGaN/GaN-HEMT besteht die elektrisch aktive Schicht 3 beispielsweise aus mindestens zwei Schichten: einer unteren GaN- und einer oberen AlGaN-Schicht . Bevorzugt werden Strukturen mit zu üblichen AlGaN/GaN-Transistoren vergleichsweise geringem Al-Gehalt x zwischen 1% und 15% bei geringer Dicke der AlGaN-Schicht (hier typisch zwischen 0 und 20 nm, sonst üblich sind 20 bis 30 nm) . Der niedrigere Al-Gehalt führt zu moderaten Ladungsträger-Schichtkonzentrationen (nicht wie üblich im Bereich 1013cm"2 sondern im1. In the case of, for example, AlGaN / GaN-HEMT, the electrically active layer 3 consists, for example, of at least two layers: a lower GaN and an upper AlGaN layer. Structures with a comparatively low Al content x between 1% and 15%, which are typical for conventional AlGaN / GaN transistors, are preferred with a small thickness of the AlGaN layer (typically between 0 and 20 nm, otherwise 20 to 30 nm). The lower Al content leads to moderate charge carrier layer concentrations (not in the 10 13 cm "2 range as usual, but in the
Bereich 1012cm"2) und damit auch zu früherer Stromsättigung (d.h. Stromsättigung bei geringerer Ver- sorgungsSpannung, hier etwa bereits unterhalb von 4 V) . Die geringere Dicke ist über ihren Einfluss auf die Leitungsbanddiskontinuität mit verantwortlich für die- vergleichsweise geringere Ladungsträger-Schichtkonzentration und die niedrigere Abschnürspannung des Bauelements . Insgesamt kann damit eine höhere Empfindlichkeit des Halbleiterbau- elementes auf Potentialänderungen an der Oberfläche erreicht werden.Range 10 12 cm "2 ) and thus also to earlier current saturation (ie current saturation at lower supply voltage, here already below 4 V) .The smaller thickness is due to its influence on the conduction band discontinuity with responsible for the comparatively lower charge carrier On the whole, a higher sensitivity of the semiconductor component to potential changes at the surface can be achieved.
2. Im Fall von Volumenhalbleitern sind dies beispielsweise Strukturen im Materialsystem GaN oder Diamant, die a) entweder gering volumendotiert sind (aktivierte Ladungsträgerkonzentration im Bereich unterhalb 5*1017cm"3) bei einer Dicke der elektrisch aktiven Schicht 3 im Bereich 10 bis 500 nm oder b) eine Pulsdotierung (mit aktivierter Ladungsträ- ger-Schichtkonzentration im Bereich unter2. In the case of bulk semiconductors, these are, for example, structures in the material system GaN or diamond, which a) are either low-volume-doped (activated Charge carrier concentration in the range below 5 × 10 17 cm -3 ) with a thickness of the electrically active layer 3 in the range 10 to 500 nm or b) pulse doping (with activated charge carrier layer concentration in the range below
1013cm"2) im Volumenmaterial der elektrisch aktiven Schicht 3 unterhalb der Halbleiteroberfläche aufweisen. Der Abstand zur Halbleiteroberfläche soll dabei im Bereich 2nm bis 20 nm betragen, um eine hohe Empfindlichkeit zu erzielen.10 13 cm "2 ) in the bulk material of the electrically active layer 3 below the semiconductor surface The distance to the semiconductor surface should be in the range 2 nm to 20 nm in order to achieve a high sensitivity.
Wesentlich hierbei ist, dass die funktionelle Schichtfolge 4 selbst nicht als Gateisolator oder Ga- teoxid dient, wie dies beispielsweise bei einem SiIi- zium-MOS-System der Fall ist, das bei klassischen IS- FET oder CHEMFET-Anwendungen eingesetzt wird. Das Gateoxid bei derartigen Siliziumsystemen ist zwingend notwendig zur Bauelementefunktion an sich. Im vorlie- genden Fall ist die funktionelle Schicht jedoch von der Funktion des elektronischen Bauelementes, das in dem Halbleitermaterial 3 implementiert ist, entkoppelt.What is essential here is that the functional layer sequence 4 itself does not serve as gate insulator or gate oxide, as is the case, for example, with a silicon MOS system used in classical ISFET or CHEMFET applications. The gate oxide in such silicon systems is imperative for the device function itself. In the present case, however, the functional layer is decoupled from the function of the electronic component implemented in the semiconductor material 3.
Dementsprechend ist auch die sensitive Oberfläche nicht unmittelbar als Gateelektrode zu betrachten bzw. lediglich in Verbindung mit dem zu vermessenden Medium. Denn dieses bestimmt beispielsweise bei einem pH-Sensor den Anteil der OH"- bzw. H+-Ionen und damit das Potential, das an der Oberfläche der funktionellen Schicht 4 anliegt. Dieses Potential bestimmt dann seinerseits den Stromfluss zwischen beispielsweise der Sourceelektrode und der Drainelektrode des elektronischen Bauelements. Es ist daher auch möglich, mit Hilfe einer Elektrode, beispielsweise aus Platin, über die Lösung ein zusätzliches Potential an die Oberfläche anzulegen, um das elektronische Bauelement, beispielsweise einen Feldeffekttransistor, zu steuern oder einen Arbeitspunkt zu definieren. Dabei wird bevorzugt eine Referenzelektrode benutzt, deren Potential gegenüber der Lösung immer konstant ist.Accordingly, the sensitive surface is not directly regarded as a gate electrode or only in connection with the medium to be measured. Because this determines, for example, in a pH sensor, the proportion of OH " - or H + ions and thus the potential applied to the surface of the functional layer 4. This potential in turn determines the current flow between, for example, the source electrode and the drain electrode of the electronic component. It is therefore also possible with the aid of an electrode, for example of platinum, to apply an additional potential to the surface via the solution in order to control the electronic component, for example a field-effect transistor, or to define an operating point. In this case, a reference electrode is preferably used whose potential is always constant with respect to the solution.
Die funktionelle Schicht besteht in diesem Beispiel vorteilhafterweise aus Titanoxid. Die Kapselung des Sensors mit der Außenisolierung 6 ist nicht überall erforderlich, insbesondere dann nicht, wenn die Materialeigenschaften des Halbleitermaterials 3 dies ganz oder teilweise zulassen. Es kann dann bereits genügen, die Abdeckung 6 nur auf die erforderlichen Bereiche anzuwenden, etwa nur auf die den Kontaktbereich 8 umgebenden Bereiche oder auf die Anschlüsse 5a, 5b.The functional layer is advantageously titanium oxide in this example. The encapsulation of the sensor with the outer insulation 6 is not required everywhere, especially not if the material properties of the semiconductor material 3 permit this in whole or in part. It may then be sufficient to apply the cover 6 only to the required areas, for example only to the areas surrounding the contact area 8 or to the terminals 5a, 5b.
Auch die Formgebung der elektrischen Kontakte 5a, 5b kann der jeweiligen Messmethode angepasst werden. Die Grundform besteht dabei in einem rechteckigen Format für die Kontakte 5a, 5b, wie sie in Figur 1 zu sehen ist. Für kapazitive Messungen an planaren Strukturen kann jedoch auch eine runde Struktur bevorzugt sein. Auch spitzwinkelige oder punktförmige Kontaktgeometrien können zum Einsatz kommen, etwa um gezielt örtliche Hochfeldzonen eines elektrischen Feldes zu er- zeugen. Der gesamte Sensor 1 kann seinerseits auf einem Träger angeordnet werden. Dies kann beispielsweise durch Kleben, Löten oder Flip-Chip-Technik erfolgen. Dies ermöglicht dann eine Integration in eine Schaltung. Beispielsweise können dann Leiterbahnen auf einem Trägermaterial verwendet werden, die mittels einer Technik, wie Lithographie, in Verbindung mit Metallisierung, Kleben, Löten, Bonden oder dergleichen mit den Kontakten 5a und 5b kontaktiert werden, um einen elektrischen Kontakt vom Sensor 1 zur Messumgebung bzw. zur Auswerteelektronik herzustel- len.The shape of the electrical contacts 5a, 5b can be adapted to the respective measurement method. The basic form consists of a rectangular format for the contacts 5a, 5b, as can be seen in FIG. For capacitive measurements on planar structures, however, a round structure may also be preferred. Even acute-angled or point-shaped contact geometries can be used, for example, to generate targeted local high-field zones of an electric field. The entire sensor 1 can in turn be arranged on a support. This can be done for example by gluing, soldering or flip-chip technology. This then allows integration into a circuit. For example, conductive traces may then be used on a substrate material that is communicated by a technique such as lithography be contacted with the contacts 5a and 5b with metallization, gluing, soldering, bonding or the like in order to produce an electrical contact from the sensor 1 to the measuring environment or to the evaluation electronics.
In Figur 1 sind zwei elektrische Kontakte 5a, 5b dargestellt. Es ist jedoch auch eine Struktur denkbar, die lediglich einen elektrischen Kontakt auf dem Halbleitermaterial 3 aufweist, wobei ein möglicher zweiter Kotakt über eine Gegenelektrode im zu messenden Medium festgelegt werden kann.In Figure 1, two electrical contacts 5a, 5b are shown. However, it is also conceivable to have a structure which has only one electrical contact on the semiconductor material 3, it being possible to determine a possible second contact via a counterelectrode in the medium to be measured.
In der Regel wird jedoch bei der Bestimmung des pH- Wertes auf eine Gegenelektrode verzichtet, da die Gegenelektrode unter Umständen selbst eine pH- Abhängigkeit besitzt und somit eine genaue Bestimmung des pH-Wertes nicht möglich ist. Stattdessen kann eine Referenzelektrode, die pH-unabhängig ist, benutzt werden, unabhängig davon, wie der pH-Sensor beschaltet ist. Die Referenzelektrode besitzt dabei immer das gleiche Potential gegenüber einer Lösung, unabhängig vom pH-Wert der Lösung. Mit Hilfe eines derartigen Referenzsensors und dem pH-Sensor kann dann der pH-Wert einer unbekannten Lösung bestimmt werden. Eine Gegenelektrode wird- also lediglich dann benötigt, wenn der Transistor über die Lösung gesteuert werden soll oder um den pH-Sensor zu charakterisieren. Dies erfolgt allerdings immer bei einer bekannten pH- Lösung.In general, however, a counterelectrode is dispensed with in the determination of the pH, since the counterelectrode may itself have a pH dependency and thus an accurate determination of the pH value is not possible. Instead, a reference electrode that is pH independent can be used regardless of how the pH sensor is wired. The reference electrode always has the same potential with respect to a solution, regardless of the pH of the solution. With the help of such a reference sensor and the pH sensor, the pH of an unknown solution can then be determined. A counter electrode is therefore only needed if the transistor is to be controlled via the solution or to characterize the pH sensor. However, this always takes place with a known pH solution.
Weiterhin ist die Ausführung eines oder mehrerer der elektrischen Kontakte 5a, 5b als nicht sperrender Kontakt ebenso möglich wie als sperrender Kontakt so- wie auch eine Kombination von sperrenden mit nicht sperrenden Kontakten. Bei einem pH-Sensor, wie er auch in dieser Figur dargestellt wurde, sind zwei Messverfahren möglich.Furthermore, the execution of one or more of the electrical contacts 5a, 5b as a non-blocking contact as well as a blocking contact as well as a combination of blocking with non-blocking contacts. In a pH sensor, as also shown in this figure, two measuring methods are possible.
Zum einen kann die Änderung des Drain-Source-Stromes (Senke-Quelle-Strom) bei konstanter Drain-Source- Spannung gemessen werden. Zum anderen kann die Änderung der Drain-Source-Spannung bei konstantem Drain- Source-Strom gemessen werden.On the one hand, the change in the drain-source current (sink-source current) can be measured with a constant drain-source voltage. On the other hand, the change in the drain-source voltage can be measured with a constant drain-source current.
Figur 2 zeigt ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Sensors. Dieser ist nunmehr im Querschnitt gezeigt, so dass der Schichtaufbau unterhalb der funktionellen Schicht 4 zu erkennen ist. Auf einem Substrat 2, das in diesem Beispiel aus Silizium, Saphir, Siliziumcarbid, Diamant oder Iridium besteht, befindet sich eine Pufferschicht 9, beispielsweise aus Galliumnitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumgalliumnitrid oder Diamant. Eine weitere Schichtfolge 3, beispielsweise GaN/AlGaN/GaN oder dotiertes GaN bildet das elektronische Bauelement. Auf der Oberfläche dieses elektronischen Bauelements 3 befinden sich nun die elektrischen Kontaktstrukturen 5a, 5b, die eine funktionelle Schichtfolge 4 aus mehreren Schichten seitlich begrenzen.FIG. 2 shows a further example of a sensor according to the invention. This is now shown in cross section, so that the layer structure can be seen below the functional layer 4. On a substrate 2, which in this example consists of silicon, sapphire, silicon carbide, diamond or iridium, there is a buffer layer 9, for example of gallium nitride, aluminum nitride, aluminum gallium nitride or diamond. Another layer sequence 3, for example GaN / AlGaN / GaN or doped GaN forms the electronic component. On the surface of this electronic component 3 are now the electrical contact structures 5a, 5b, which laterally delimit a functional layer sequence 4 of several layers.
Die Schichtenfolge aus den Schichten 2, 9, 3, 5a, 5b und 4 ist durch ein elektrisch isolierendes Material 6 verpackt, wobei lediglich eine Öffnung 8 auf der Oberseite der funktionellen Schichtfolge 4 als sensitive Schicht nicht bedeckt und damit offen bleibt . Durch diese Öffnung 8 kann das zu untersuchende Medium mit der Oberfläche der funktionellen Schichtfolge 4 in Kontakt treten. Figur 3 zeigt einen vertikalen Aufbau eines Sensors, wobei die Schichtfolge derjenigen in Figur 2 entspricht. Ein derartiger vertikaler Aufbau kann beispielsweise bei Bipolartransistoren SiT oder derglei- 5. chen eingesetzt werden. Die elektrischen Kontakte 5a, 5b befinden sich also bevorzugt auf der Oberseite oder Unterseite oder auch Ober- und Unterseite bzw. bei geätzten Strukturen auf einer Seite, jedoch in verschiedenen Schichten oder Ätztiefen. Auch eine 0 Tiefenätzung lokaler Bereiche der Ober- und Unterseite der Schichtfolge kann zum Einsatz kommen.The layer sequence of the layers 2, 9, 3, 5a, 5b and 4 is packed by an electrically insulating material 6, wherein only an opening 8 on the top of the functional layer sequence 4 is not covered as a sensitive layer and thus remains open. Through this opening 8, the medium to be examined can come into contact with the surface of the functional layer sequence 4. FIG. 3 shows a vertical structure of a sensor, the layer sequence corresponding to that in FIG. Such a vertical structure can be used, for example, in the case of bipolar transistors SiT or the like. The electrical contacts 5a, 5b are therefore preferably located on the top or bottom side or top and bottom or etched structures on one side, but in different layers or etch depths. A deep etching of local areas of the top and bottom of the layer sequence can also be used.
Ein derartiger Sensor ist beispielsweise in Figur 4 gezeigt. Bei diesem Sensor ist wiederum die Schicht- 5 folge aus dem Schichtensubstrat 2, Puffer 9, Halbleiter 3 und Schichtenfolge 4a derjenigen in Figur 2 entsprechend. Die Schichtenfolge 4a weist jedoch eine benachbarte Schichtenfolge 4b auf, die sich in vertikaler Richtung erstreckt. Hier kontaktiert der Kon- 0 takt 5a im Wesentlichen die Pufferschicht 9 und die Schichtfolge 4b, während der Kontakt 5b das elektronische Bauelement 3 und die Schichtfolge 4a kontaktiert.Such a sensor is shown for example in FIG. In this sensor, in turn, the layer sequence of the layer substrate 2, buffer 9, semiconductor 3 and layer sequence 4a is corresponding to that in FIG. However, the layer sequence 4a has an adjacent layer sequence 4b which extends in the vertical direction. Here, the contact 5a essentially contacts the buffer layer 9 and the layer sequence 4b, while the contact 5b contacts the electronic component 3 and the layer sequence 4a.
5 Figur 5 zeigt eine weitere Sensorstruktur, bei der wiederum die Schichtfolge aus Substrat 2, Puffer 9 und Halbleitermaterial 3 sowie Schichtenfolge 4 derjenigen in Figur 2 entspricht. Die Kontakte 5a und 5b sind ebenfalls wie in Figur 2 seitlich der Schichten- 0 folge 4 angeordnet. Allerdings sind sie mit elektrischen Verbindungen 12a, 12b verbunden, die ihrerseits in vertikaler Richtung in die Schichtenfolge eingebracht sind. Auf diese Weise ist es möglich, den Sensor auf seiner der sensitiven Oberfläche und der Off- 5 nung 8 abgewandten Rückseite zu kontaktieren. Eine derartige Rückseitenkontaktierung ermöglicht die Kon- taktierung und Platzierung des Sensors auf einem Board oder Träger, ohne auf der Vorderseite des Sensors Kontaktierungen vorsehen zu müssen. Es ist also hier möglich, unmittelbar auf dem Board oder Träger aufgebrachte elektrische Leitungen, beispielsweise Leiter einer Leiterplatte, zu kontaktieren.FIG. 5 shows a further sensor structure in which again the layer sequence comprising substrate 2, buffer 9 and semiconductor material 3 as well as layer sequence 4 corresponds to that in FIG. The contacts 5a and 5b are also arranged as shown in FIG. 2 laterally of the layer sequence 4. However, they are connected to electrical connections 12a, 12b, which in turn are introduced into the layer sequence in the vertical direction. In this way it is possible to contact the sensor on its side facing away from the sensitive surface and the opening 8. Such backside contact enables the con- timing and placement of the sensor on a board or carrier, without having to provide contacts on the front of the sensor. It is thus possible here to contact directly on the board or carrier applied electrical lines, such as conductors of a printed circuit board.
Figur 6 zeigt in den Teilbildern A und B einen weiteren erfindungsgemäßen Sensor, der einzelne Sensorele- mente aufweist. In Figur 6A ist ein Querschnitt inFIG. 6 shows, in sub-images A and B, a further sensor according to the invention which has individual sensor elements. In Figure 6A is a cross section in
Aufsicht auf den Sensor zu erkennen. Der Sensor weist insgesamt drei Sensorelemente 10a, 10b und 10c auf, die über elektrische Leitungen 12a, 12b, 12c und 12d mit Kontakten 5a, 5b, 5c und 5d verbunden sind. Der Kontakt 5d wird geerdet, während die Kontakte 5a, 5b und 5c an eine Spannungsquelle angeschlossen werden können .View of the sensor. The sensor has a total of three sensor elements 10a, 10b and 10c, which are connected via electrical lines 12a, 12b, 12c and 12d to contacts 5a, 5b, 5c and 5d. The contact 5d is grounded, while the contacts 5a, 5b and 5c can be connected to a voltage source.
Die Geometrien der Sensorelemente 10a, 10b, 10c, die von den sensitiven Oberflächen der erfindungsgemäßen funktionellen Schichten 4 mit gebildet werden, sind bei dem in Figur 6 gezeigten Beispiel bezüglich ihrer Größe unterschiedlich. Sie können auch bezüglich weiterer Eigenschaften unterschiedlich sein, so dass die einzelnen Sensorelemente auf verschiedene Ionen oder Stoffe in weiterhin verschiedener Weise ansprechen. Die einzelnen Sensorelemente können also dieselbe Funktion oder verschiedene Funktionen (Empfindlichkeit, Sensitivität etc.) aufweisen.The geometries of the sensor elements 10a, 10b, 10c, which are formed by the sensitive surfaces of the functional layers 4 according to the invention, are different in size in the example shown in FIG. They may also be different in terms of other properties, so that the individual sensor elements respond to different ions or substances in still different ways. The individual sensor elements can thus have the same function or different functions (sensitivity, sensitivity, etc.).
Wie in Figur 6B in der Aufsicht auf den fertigen Sensor zu erkennen ist, ist die Oberfläche des Sensors 1 weitestgehend mit einem elektrisch isolierenden Material 6 abgedeckt. Nicht von dem Material 6 abgedeckt sind die Kontakte 5a, 5b, 5c und 5d sowie die Öffnungen 8a, 8b und 8c, die den Zugang des Mediums zu den Sensorelementen 10a, 10b und 10c ermöglichen.As can be seen in FIG. 6B in the plan view of the finished sensor, the surface of the sensor 1 is largely covered with an electrically insulating material 6. Not covered by the material 6 are the contacts 5a, 5b, 5c and 5d, as well as the openings 8a, 8b and 8c, which provide access to the medium Sensor elements 10a, 10b and 10c allow.
Die Gesamtdimension des Sensorelementarrays 1 beträgt im vorliegenden Beispiel 5 mm x 5 mm, während die Sensorflächen, die durch die Größen der Öffnung 8a,The overall dimension of the sensor element array 1 in the present example is 5 mm × 5 mm, while the sensor surfaces, which are defined by the sizes of the opening 8a,
8b und 8c bestimmt werden, für die Öffnung 8a 10 μm x 50 μm, für die Öffnung 8b 10 μm x 100 μm und für die Öffnung 8c 10 μm x 200 μm betragen. Als Abdeckmaterial 6 wurde bei diesem Beispiel ein Polyimid verwen- det.8b and 8c, for the opening 8a 10 .mu.m.times.50 .mu.m, for the opening 8b 10 .mu.m.times.100 .mu.m and for the opening 8c 10 .mu.m.times.200 .mu.m. As covering material 6, a polyimide was used in this example.
Wie unschwer zu erkennen ist, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine enorme Miniaturisierung der Sensoren und damit auch eine Vervielfältigung der Mess- Optionen.As can be easily seen, the present invention enables a tremendous miniaturization of the sensors and thus also a duplication of the measurement options.
Figur 7 zeigt einen weiteren Sensor, der demjenigen in Figur 6 ähnlich ist. Im Unterschied zu dem in Figur 6B gezeigten Sensor ist jedoch die Öffnung 8c des Sensorelements 10c abgedeckt. Hierdurch zeigt dasFIG. 7 shows a further sensor which is similar to that in FIG. In contrast to the sensor shown in FIG. 6B, however, the opening 8c of the sensor element 10c is covered. This shows that
Sensorelement 10c keine Medienempfindlichkeit und ist ein blinder Sensor. Bezüglich aller anderen Parameter besitzt dieses blinde Sensorelement jedoch den gleichen Aufbau und die gleiche Struktur wie ein normaler Sensor.Sensor element 10c no media sensitivity and is a blind sensor. However, with respect to all other parameters, this dummy sensor element has the same structure and structure as a normal sensor.
Mittels des Sensorelements 10c ist es nun möglich, Änderungen der Sensorempfindlichkeit der Sensorelemente 10a und 10b etc. aufgrund von Temperaturände- rung oder anderen Faktoren zu bestimmen und die normalen, das Medium messenden Sensorelemente 10a und 10b bzw. deren Signale entsprechend zu kalibrieren. Durch diese Blindprobe mittels des abgedeckten Sensorelements 10c ist es also möglich, andere Störein- flüsse zu kompensieren. By means of the sensor element 10c it is now possible to determine changes in the sensor sensitivity of the sensor elements 10a and 10b etc. due to temperature change or other factors and to calibrate the normal sensor elements 10a and 10b or their signals measuring the medium accordingly. By means of this blind sample by means of the covered sensor element 10c, it is thus possible to compensate for other disturbing influences.

Claims

Patentansprüche claims
1. Halbleitersensor (1) zur Bestimmung von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Mediums, insbesondere pH-Sensor, mit einem e- lektronischen Bauelement (3) mit sensitiver O- berflache, wobei das elektronische Bauelement (3) auf der Basis von Halbleitern mit großer Bandlücke („wide gap semiconductor") aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Oberfläche zumindest bereichsweise mit einer funktionellen Schichtfolge (4) eine von der sensitiven Oberfläche des elektronischen Bauelements abgewandter, ionensensitiver Ober- fläche aufweist und mit mindestens einer Schicht beschichtet ist, wobei die funktionelle Schichtfolge (4) zumindest für das Medium und/oder die zu bestimmenden Stoffe oder Ionen undurchlässig ist .Semiconductor sensor (1) for determining physical and / or chemical properties of a medium, in particular a pH sensor, with an electronic component (3) having a sensitive surface area, wherein the electronic component (3) is based on semiconductors constructed with a wide band gap ("wide gap semiconductor"), characterized in that the sensitive surface at least partially with a functional layer sequence (4) facing away from the sensitive surface of the electronic component, ion-sensitive surface and coated with at least one layer is, wherein the functional layer sequence (4) is impermeable at least for the medium and / or the substances or ions to be determined.
2. Halbleitersensor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass oberste auf dem elektronischen Bauelement (3) aufgebrachte Schicht der funktionellen Schichtfolge (4) chemisch beständig ist.2. Semiconductor sensor according to the preceding claim, characterized in that the top on the electronic component (3) applied layer of the functional layer sequence (4) is chemically resistant.
3. Halbleitersensor nach dem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oberste auf dem elektronischen Bauelement (3) aufgebrachte Schicht gegen Laugen, insbesondere Natriumhydroxid (NaOH) , und/oder Säuren, insbesondere Salpetersäure (HNO3), beständig ist.3. Semiconductor sensor according to the preceding claims, characterized in that the topmost on the electronic component (3) applied layer against alkalis, in particular Sodium hydroxide (NaOH), and / or acids, especially nitric acid (HNO 3 ), is stable.
4. Halbleitersensor nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oberste auf dem elektronischen Bauelement4. Semiconductor sensor according to one of the two preceding claims, characterized in that the uppermost on the electronic component
(3) aufgebrachte Schicht eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweist oder daraus besteht: Oxid, Metalloxid, Titanoxid, Aluminiumoxid und/oder Magnesiumoxid, Metall, Keramik, Nitridbasierendes Material, wie Titannitrid und/oder Silizium-Nitrid, kohlenstoffhaltige Verbindungen, wie Diamant und/oder diamantartiger Kohlenstoff (DLC, diamond-like carbon) und/oder Mi- schungen hiervon, sämtlich in stöchiometrischen oder auch nichtstöchiometrischen Verbindungen und/oder Anteilsverhältnissen.(3) applied layer comprises or consists of one or more of the following materials: oxide, metal oxide, titanium oxide, alumina and / or magnesia, metal, ceramics, nitride based material such as titanium nitride and / or silicon nitride, carbonaceous compounds such as diamond and / or diamond-like carbon (DLC, diamond-like carbon) and / or mixtures thereof, all in stoichiometric or non-stoichiometric compounds and / or proportions.
5. Halbleitersensor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die oberste auf dem elektronischen Bauelement (3) aufgebrachte Schicht ein Oxid ist, wobei die Schicht durch thermische Oxidation der Oberfläche einer zuvor aufgebrachten nichtoxidierten Schicht und/oder durch elektrochemische Abscheidung und/oder Sputterdeposition des Oxids und ggf. thermischer Nachoxidation als Schicht hergestellt ist.5. A semiconductor sensor according to the preceding claim, characterized in that the topmost on the electronic component (3) applied layer is an oxide, wherein the layer by thermal oxidation of the surface of a previously applied non-oxidized layer and / or by electrochemical deposition and / or Sputterdeposition of the oxide and optionally thermal post-oxidation is produced as a layer.
6. Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionelle Schichtfolge 4) eine, gegebenenfalls ionenselektive Diffusionssperrschicht aufweist, die für eine, mehrere oder alle Ionenarten undurchlässig ist. 6. Semiconductor sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the functional layer sequence 4) has an optionally ion-selective diffusion barrier layer, which is impermeable to one, several or all types of ions.
7. Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionelle Schichtfolge eine Haftvermittlungs- schicht aufweist, die zwischen dem Bauelement und den weiteren Schichten der funktionellen7. A semiconductor sensor according to any one of the preceding claims, characterized in that the functional layer sequence comprises an adhesion-promoting layer, which between the component and the further layers of the functional
Schichtfolge angeordnet ist.Layer sequence is arranged.
8. Halbleitersensor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Haft- vermittlungsschicht eines oder mehrere der fol- genden Materialien aufweist oder daraus besteht:8. Semiconductor sensor according to the preceding claim, characterized in that the adhesion-promoting layer comprises or consists of one or more of the following materials:
Titan (Ti) , Aluminium (Al) , Titan-Wolfram- Legierung (TiW) , Silizium (Si) und/oder ein Polymer.Titanium (Ti), aluminum (Al), titanium-tungsten alloy (TiW), silicon (Si) and / or a polymer.
9. Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der9. Semiconductor sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the
Halbleiter mit großer Bandlücke eine Bandlücke ≥ 2 eV aufweist.A wide bandgap semiconductor has a bandgap ≥ 2 eV.
10. Halbleitersensor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der HaIb- leiter mit großer Bandlücke ein oder mehrere der folgenden Materialien enthält oder daraus besteht: Diamant, Galliumnitrid (GaN), Silizium- carbid (SiC) oder dergleichen.10. A semiconductor sensor according to the preceding claim, characterized in that the waveguide with large band gap contains or consists of one or more of the following materials: diamond, gallium nitride (GaN), silicon carbide (SiC) or the like.
11. Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement aus einem zumindest bereichsweise dotieren oder undotierten Volumenmaterial oder einer Heterostruktur besteht oder diese enthält.11. Semiconductor sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the component consists of an at least partially doped or undoped bulk material or a heterostructure or contains these.
12. Halbleitersensor nach dem vorhergehenden An- spruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenmaterial ein III-V-Halbleiter, insbesondere Galliumnitrid (GaN), ist. 12. Semiconductor sensor according to the preceding claim, characterized in that the bulk material is a III-V semiconductor, in particular gallium nitride (GaN).
13. Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das e- lektronische Bauelement ein laterales bzw. lateral aufgebautes oder vertikales bzw. vertikal aufgebautes Bauelement ist.13. Semiconductor sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic component is a lateral or laterally constructed or vertical or vertically constructed component.
14. Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das e- lektronische Bauelement ein Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT, high electron mo- bility transistor) , ein MODFET (modulation-doped field effect transistor) , ein Metall-Halbleiter- Feldeffekttransistor (MESFET, metal semiconduc- tor FET) , ein δ-FET, ein SIT (static induction transistor) oder ein Heterostruktur- Bipolartransistor (heterojunction bipolar transistor, HBT) ist, wobei die Gate-Elektrode an bzw. durch die ionensensitive Oberfläche der funktionellen Schichtfolge gebildet wird.14. Semiconductor sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic component is a high electron mobility transistor (HEMT, high electron mobility transistor), a MODFET (modulation-doped field effect transistor), a metal-semiconductor Field effect transistor (MESFET, metal semiconduc tor FET), a δ-FET, a SIT (static induction transistor) or a heterostructure bipolar transistor (heterojunction bipolar transistor, HBT), wherein the gate electrode on or through the ion-sensitive surface of the functional layer sequence is formed.
15. Halbleitersensor nach dem vorhergehenden An- spruch, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauelement eine der funktionellen Schichtfolge zugewandte, oberste Halbleiterschicht aus einem der folgenden Materialien Aluminiumnitrid (AlN) , Galliumnitrid (GaN) , Indium- nitrid (InN) oder Aluminiumgalliumnitrid der15. A semiconductor sensor according to the preceding claim, characterized in that the electronic component facing the functional layer sequence, uppermost semiconductor layer of one of the following materials aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), indium nitride (InN) or aluminum gallium nitride of
Formel AlxGai-xN oder Indiumgalliumnitrid der Formel InxGa1-xN, wobei 0,01 ≤ x ≤ 0,3 oder Indiumaluminiumnitrid InxAli-xN, wobei 0<x<l, aufweist.Formula Al x Gai -x N or indium gallium nitride of the formula In x Ga 1-x N, where 0.01 ≤ x ≤ 0.3 or indium aluminum nitride In x Ali -x N, where 0 <x <l.
16. Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kapselung (6), durch die die Oberfläche des Sensors (1) mit Ausnahme zumindest von Teilen der freiliegenden Oberfläche (8) der funktionellen Schichtfolge (4) und gegebenenfalls der elektrischen Kontakte (5a, 5b) bedeckt ist.16. Semiconductor sensor according to one of the preceding claims, characterized by an encapsulation (6) through which the surface of the sensor (1) with the exception of at least parts of the exposed surface (8) of the functional layer sequence (4) and optionally the electrical contacts (5a, 5b) is covered.
17. Halbleitersensor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapse- lung (6) ein Epoxidharz und/oder Polyimide aufweist oder daraus besteht.17. Semiconductor sensor according to the preceding claim, characterized in that the Kapse- ment (6) comprises or consists of an epoxy resin and / or polyimides.
18. Halbleitersensor nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapselung (6) mindestens ein elektrisch iso- lierendes und/oder chemisch resistentes und/oder chemisch inertes Material aufweist oder daraus besteht.18. Semiconductor sensor according to one of the two preceding claims, characterized in that the encapsulation (6) comprises at least one electrically insulating and / or chemically resistant and / or chemically inert material or consists thereof.
19. Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das e- lektronische Bauelement (3) unmittelbar oder ü- ber Zwischenschichten (9) auf einem Substrat (2) angeordnet ist.19. Semiconductor sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic component (3) is arranged directly or via intermediate layers (9) on a substrate (2).
20. Halbleitersensor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Sub- strat (2) eines oder mehrere der folgenden Materialien enthält oder daraus besteht: Silizium (Si) , Saphir (Al2O3) , Siliziumcarbid (SiC) , Diamant, Iridium (Ir) und/oder Kombinationen hiervon.20. Semiconductor sensor according to the preceding claim, characterized in that the substrate (2) contains or consists of one or more of the following materials: silicon (Si), sapphire (Al 2 O 3 ), silicon carbide (SiC), diamond, Iridium (Ir) and / or combinations thereof.
21. Halbleitersensor nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat (2) und dem elektronischen Bauelement (3) eine Pufferzwischenschicht (9) angeordnet ist.21. Semiconductor sensor according to one of the two preceding claims, characterized in that between the substrate (2) and the electronic component (3) a buffer intermediate layer (9) is arranged.
22. Halbleitersensor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferschicht (9) eines oder mehrere der folgenden Ma- terialien aufweist oder enthält: Galliumnitrid (GaN) , Aluminiumnitrid (AlN) , Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) , Diamant und/oder Kombinationen hiervon.22. Semiconductor sensor according to the preceding claim, characterized in that the buffer layer (9) has one or more of the following properties: has or contains: gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), aluminum gallium nitride (AlGaN), diamond and / or combinations thereof.
23. Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das e- lektronische Bauelement (3) mindestens einen Ohmkontaktbereich (5a, 5b) aufweist.23. Semiconductor sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic component (3) has at least one ohmic contact region (5a, 5b).
24. Halbleitersensor nach dem vorhergehenden An- spruch, dadurch gekennzeichnet, dass an dem e- lektronischen Bauelement (3) mindestens ein e- lektrischer Kontakt (7a, 7b) zur Ableitung e- lektrischer Signale aus dem elektronischen Bauelement (3) angeordnet ist, wobei mindestens ei- ner der elektrischen Kontakte (7a, 7b) mit mindestens einem der Ohmkontaktbereiche (5a, 5b) elektrisch leitend oder halbleitend verbunden ist.24. Semiconductor sensor according to the preceding claim, characterized in that at least one electrical contact (7a, 7b) for deriving electrical signals from the electronic component (3) is arranged on the electronic component (3), wherein at least one of the electrical contacts (7a, 7b) is electrically conductively or semiconductively connected to at least one of the ohmic contact regions (5a, 5b).
25. Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das e- lektronische Bauelement (3) gegebenenfalls zusammen mit dem Substrat (2) auf einem Träger angeordnet ist.25. Semiconductor sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic component (3) is optionally arranged together with the substrate (2) on a carrier.
26. Halbleitersensor nach dem vorhergehenden An- spruch dadurch gekennzeichnet, dass der Träger mit dem elektronischen Bauelement (3) oder mit dem Substrat (2) durch Kleben, Löten und/oder Flipchip verbunden ist.26. Semiconductor sensor according to the preceding claim, characterized in that the carrier is connected to the electronic component (3) or to the substrate (2) by gluing, soldering and / or flip-chip.
27. Halbleitersensor nach einem der beiden vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Leitung von Signalen des elektronischen Bauelementes (3) nach außen das elektronische Bauelement (3) mindestens einen Ohmkontaktbereich (5a, 5b) und der Träger mindestens eine Leiterbahn (7a, 7b) als elektrischen Kontakt aufweist, die mit mindestens einem der Ohmkontaktbereiche (5a, 5b) des elektrischen Bauelementes (3) e- lektrisch leitend oder halbleitend verbunden ist.27. Semiconductor sensor according to one of the two preceding claims, characterized in that for conducting signals of the electronic component (3) to the outside, the electronic component (3) has at least one ohmic contact region (5a, 5b) and the carrier has at least one conductor track (7a, 7b) as an electrical contact, which is electrically conductively or semiconductively connected to at least one of the ohmic contact regions (5a, 5b) of the electrical component (3).
28. Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Träger oder Substrat (2) sämtliche Strukturen einschließlich elektronischem Bauelement (3) und funktioneller Schichtfolge (4) mindestens zweifach angeordnet sind.28. Semiconductor sensor according to one of the preceding claims, characterized in that on the carrier or substrate (2) all structures including electronic component (3) and functional layer sequence (4) are arranged at least twice.
29. Halbleitersensor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der mehrfach angeordneten Strukturen in der29. Semiconductor sensor according to the preceding claim, characterized in that at least two of the multiply arranged structures in the
Schichtebene des Trägers oder des Substrats (2) nebeneinander angeordnet sind.Layer plane of the carrier or the substrate (2) are arranged side by side.
30. Halbleitersensor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die ionen- sensitive Oberfläche einer der mindestens zwei nebeneinander angeordneten Strukturen mit einer weiteren, nicht- sensitiven Schicht abgedeckt ist.30. Semiconductor sensor according to the preceding claim, characterized in that the ion-sensitive surface of one of the at least two juxtaposed structures is covered with a further, non-sensitive layer.
31. Verwendung eines Halbleitersensors (1) zur Er- fassung von physikalischen und/oder chemischen31. Use of a semiconductor sensor (1) for the detection of physical and / or chemical
Eigenschaften eines Mediums, insbesondere als pH-Sensor oder Sauerstoffsensor, insbesondere im Bereich zwischen 10 0C und 500 0C, insbesondere bei Raumtemperatur oder im Bereich zwischen 50 0C und 500 0C, insbesondere im Bereich zwischenProperties of a medium, in particular as a pH sensor or oxygen sensor, in particular in the range between 10 0 C and 500 0 C, in particular at room temperature or in the range between 50 0 C and 500 0 C, in particular in the range between
150 0C und 450 0C, mit oder ohne Referenzelektrode, mit oder ohne Gegenelektrode, zur Bestim- mung von Eigenschaften von Fluiden, insbesondere von Gasen oder Flüssigkeiten. 150 0 C and 450 0 C, with or without a reference electrode, with or without a counter-electrode, to destina- properties of fluids, in particular of gases or liquids.
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