DE10007525A1

DE10007525A1 - ph-Sensoren auf Halbleitern mit hohem Bandabstand

Info

Publication number: DE10007525A1
Application number: DE2000107525
Authority: DE
Inventors: Andrej Denisenko; Erhard Kohn; Aleksander Aleksov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-02-18
Filing date: 2000-02-18
Publication date: 2001-09-06
Also published as: WO2001061328A2; WO2001061328A3; DE10190529D2; AU3918701A

Description

Diese Erfindung beschreibt einen pH-Sensor der aus einem Halbleitermaterial mit hohem Bandabstand gefertigt ist. Die Verwendung von Halbleitermaterialien mit hohem Bandabstand zum Erfassen chemischer Größen (chemische Detektion) ergibt sich aus der hohen Stabilität dieser Materialien gegenüber den meisten Chemikalien. Im Gegensatz dazu können Halbleiter mit geringem Bandabstand wie Si oder Ge sehr leicht oxidieren und werden auch in Umgebungen mit geringer chemischer Reaktivität geätzt. Deshalb haben chemische Sensoren, die aus diesen Halbleitern aufgebaut sind, relativ kurze Lebensdauern und ein enges Anwendungsgebiet, oder sie benötigen eine komplizierte Passivierung. Dagegen können Chemische Sensoren aus Halbleitern mit hohem Bandabstand unter harten Bedingungen und hohen Temperaturen eingesetzt werden.

Das angegebene Bauelement besteht aus einem hoch isolierenden Substrat (10) auf dem sich ein leitfähiger Kanal (11) eines gegebenen Halbleiters mit hohem Bandabstand befindet. Der Kanal ist extrinsisch mit elektrisch aktiven Verunreinigungen (Dotierstoffen) dotiert. Die Oberfläche des Kanals (16) ist in Berührung mit dem untersuchten chemischen Mittel (12). Die ausgewählten Halbleitermaterialien, vorzugsweise Diamant, GaN, AlN, besitzen ein ungepinntes Oberflächenpotential. Hierbei befindet sich das Fermi-Niveau an der Kanaloberfläche energetisch nicht an einer festen Stelle in der Bandlücke (gepinntes Fermi- Niveau), sondern kann durch ein externes Potential seine energetische Position in der Bandlücke verändern (ungepinntes Fermi-Niveau). Des weiteren besitzt das Bauelement zwei sperrfreie elektrische Kontakte (13, 14) zum Kanal und eine isolierende Schicht zur elektrischen und chemischen Isolation der Kontakte und des Substrates während sich der Sensor in der zu untersuchenden Umgebung befindet. In Kontakt mit einer Chemikalie taucht das entsprechende elektrochemische Potential an der Grenzfläche Kanal - Chemikalie auf. Der pH-Wert verändert das Oberflächenpotential und damit die Verarmung des Kanals bzw. der Kanalleitfähigkeit.

Bisher bekannt sind ein elektrochemischer Sensor in Diamant mit durch Wasserstoff induzierter Oberflächenleitfähigkeit. Allerdings besitzt dieser den Nachteil, daß die Leitfähigkeit von der Wasserstoffdiffusion beeinflußt wird und das Bauelement dadurch instabil ist.

Herstellung

Die Sensoren können entsprechend der Erfindung aus dünnen Schichten von Halbleitern mit hohem Bandabstand hergestellt werden. Diese Schichten werden auf verschiedene Substrate hetero- oder homoepitaxiell gewachsen. Die Dotierung des leitfähigen Kanals kann in-situ durch Zugabe der Dotierstoffe in die Reaktionskammer geschehen. Die alternative Methode zur Dotierung des Kanals ist die Ionenimplantation. Zum Beispiel kann Diamant mit Bor p- dotiert, GaN mit Si n-dotiert, GaN mit Mg p-dotiert werden.

Der Zustand der freien Oberfläche mit entpinntem Fermi-Niveau kann durch bestimmte Behandlungen der Oberfläche erreicht werden, wie zum Beispiel durch Plasma-Behandlung. So wird bei Diamant die freie Oberfläche mit entpinntem Fermi-Niveau nach einer Behandlung im Wasserstoffplasma und abkühlen in einer Wasserstoffatmosphäre beobachtet. In einigen Fällen, wie bei mittels MBE oder MOCVD gewachsenem GaN, kann der Zustand der Oberfläche mit entpinntem Fermi-Niveau direkt nach dem Kristallwachstum beobachtet werden.

Beispiel

Sensoren gemäß der Erfindung wurden in GaN und Diamant hergestellt. Im folgenden sie der Sensor auf GaN beschrieben.

Ein pH-Sensor gemäß der Erfindung wurde auf nominell undotiertem GaN Puffer hergestellt. Bei der n-Typ Leitfähigkeit des Kanals (11) handelte es sich um Defektleitfähigkeit. Die Dicke des Kanals war 1,29 µm, die schichtbezogene Ladungsträgerkonzentration n_S betrug bei Raumtemperatur 5.6 × 10¹² cm^-2. Der n-Typ Kanal wurde epitaktisch auf einem isolierendem Saphir-Substrat hergestellt (10). Die sperrfreien Kontakte (13, 14) zum Kanal wurden mittels lift-off Technik nach der Sputterdeposition von TiAl/Ti/Au hergestellt. Die isolierende Schicht (15) wurde aus einem 2-Komponenten Epoxy Kleber hergestellt. Der hergestellte Sensor wurde Mischungen aus KOH und Wasser (12) mit unterschiedlicher KOH-Konzentration ausgesetzt. Der pH Wert jeder Mischung wurde mittels eines WTW pH96 Microprocessor pH-Meters bestimmt. Die Meßergebnisse des GaN-Sensors sind in Abb. 2 dargestellt.

Entsprechend der beschriebenen Funktionsweise bewirkt die Änderung des Oberflächenpotentials durch den Kontakt mit der Chemikalie eine Verringerung des Stromes im GaN-Kanal. Die schwache Antwort des Sensors weißt darauf hin, daß die Schichtdicke und die Dotierung noch nicht optimal ausgewählt sind.

Kurze Beschreibung der Abbildungen

Abb. 1 zeigt eine schematische Zeichnung des pH-Sensors entsprechend der Erfindung;

Abb. 2 zeigt die Variation des elektrischen Stromes eines GaN sensors in basischen Flüssigkeiten mit verschiedenen pH-Werten. Der Sensor wurde, wie in Abb. 1, entsprechend der Erfindung hergestellt.

Claims

1. Bauelement besteht aus einem hoch isolierenden Substrat auf dem sich ein leitfähiger Kanal eines gegebenen Halbleiters mit hohem Bandabstand befindet. Der Kanal ist extrinsisch mit elektrisch aktiven Verunreinigungen (Dotierstoffen) dotiert. Die Oberfläche des Kanals ist in Berührung mit dem untersuchten chemischen Mittel. Die ausgewählten Halbleitermaterialien, vorzugsweise Diamant, GaN, AlN, besitzen ein ungepinntes Oberflächenpotential. Hierbei befindet sich das Fermi-Niveau an der Kanaloberfläche energetisch nicht an einer festen Stelle in der Bandlücke (gepinntes Fermi-Niveau), sondern kann durch ein externes Potential seine energetische Position in der Bandlücke verändern (entpinntes Fermi-Niveau). Des weiteren besitzt das Bauelement mindestens zwei sperrfreie elektrische Kontakte zum Kanal und eine isolierende Schicht zur elektrischen und chemischen Isolation der Kontakte und des Substrates während sich der Sensor in der zu untersuchenden Umgebung befindet.

2. Sensor gemäß Anspruch 1 dergestalt, daß der leitfähige Kanal aus GaN mit einem elektronisch entpinntem Fermi-Niveau an der Oberfläche gebildet wird.

3. Sensor gemäß Anspruch 1 und 2 dergestalt, daß der leitfähige Kanal aus einer Si-dotierten n-Typ GaN-Schicht gebildet wird.

4. Sensor entsprechend Anspruch 1 und 2 dergestalt, daß der leitfähige Kanal aus einer nominell intrinsischen GaN-Schicht, deren Leitfähigkeit durch intrinsische Defekte entsteht, gebildet wird.

5. Sensor gemäß Anspruch 1 und 2 dergestalt, daß der leitfähige Kanal aus einer Mg- dotierten p-Typ GaN-Schicht gebildet wird.

6. Sensor gemäß Anspruch 1 dergestalt, daß der leitfähige Kanal aus einer bordotierten p- Typ Diamantschicht gebildet wird.

7. Sensor gemäß Anspruch 6 dergestalt, daß der leitfähige Kanal auf einem stickstoffdotiertem Diamantsubstrat gebildet wird.

8. Sensor gemäß Anspruch 6 dergestalt, daß der leitfähige Kanal auf einem Siliziumsubstrat gebildet wird.

9. Sensor gemäß Anspruch 1 dergestalt, das der n-Typ leitfähige Kanal aus einer Lithium implantierten Diamantschicht gebildet wird.

10. Sensor gemäß den Ansprüchen 6 bis 9 dergestalt, daß die Oberfläche des leitfähigen Kanals mit Wasserstoffatomen terminiert ist.