DE10062044A1 - Ionensensitiver Halbleitersensor - Google Patents

Abstract

Ein Flüssigkeitssensor bzw. ionensensitiver Halbleitersensor ist aus einer Folge von Schichten (1, 4, 5, 7, 8) aufgebaut, die in Form eines Feldeffekttransistors ausgebildet sind. Ein Source-Anschluss (2) und ein Drain-Anschluss (3) des Feldeffekttransistors sind durch die Schichtfolge miteinander gekoppelt. Die Schichtfolge umfasst eine Heterostruktur aus Gruppe-III-Nitriden, die als HEMT-Struktur bzw. High Electron Mobility Transistor-Struktur ausgebildet ist. Während des Betriebes wird die elektrische Leitfähigkeit der Schichtfolge bestimmt. Die oberste Schicht (1) der Schichtfolge tritt bei der Messung entweder in direkten Kontakt mit dem zu messenden Medium oder über eine weitere funktionale Schicht, die bestimmte Ionen selektiert. Durch piezoelektrische Eigenschaften der Schichtfolge ist eine Fernabfrage mittels Interdigitalstrukturen und Oberflächenwellen möglich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen ionensensitiven Halbleitersensor ge­ mäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Der ionensensitive Halbleitersen­ sor ist insbesondere zur Detektion von Medien mit verschiedener Polarität und mit verschiedenem pH-Wert geeignet.

Halbleitersensoren, die in der Art von Feldeffekttransistoren aufgebaut sind, werden beispielsweise zur Messung bzw. Detektion in Flüssigkeiten einge­ setzt, um bestimmte Anteile oder Eigenschaften der Flüssigkeit bzw. des Me­ diums zu bestimmen. Beispielsweise ist es für die Wartung von Kraftfahrzeu­ gen oder auch Luftfahrzeugen immer wieder notwendig, den Zustand flüssiger Betriebsmittel, wie z. B. Hydraulik- bzw. Motoröl, zu bestimmen. Bei derartigen Betriebsmitteln, zu denen insbesondere auch Bremsflüssigkeiten gehören, muss in bestimmten Intervallen die Qualität und Funktionsfähigkeit überprüft werden.

Halbleitersensoren können beispielsweise eingesetzt werden, um Defekte in Zuleitungen oder Flüssigkeitsbehältern zu detektieren sowie durch in-situ- Messungen eine ständige oder intervallgeregelte Überwachung in der Art ei­ nes Online-Monitorings oder eines Service-on-Demand der Betriebsmittel zu gewährleisten.

Im Stand der Technik sind unterschiedliche Arten von Feldeffekttransistoren bekannt, die als Sensoren eingesetzt werden. In dem Artikel "A Generalized Theory of an Elektrolyte-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor", Clifford D. Fung, et. al., IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-33, No. 1 January 1986, wird beispielsweise ein EISFET als pH-Sensor verwendet, wobei die physikalischen Grundlagen beschrieben werden.

Der Artikel von P. Bergfeld, The Impact of MOSFET-Based Sensors, Third In­ ternational Conference on Solid-State Sensors and Actuators, June 11-14, 1985, beschreibt die Arbeitsweise von MOS-Feldeffekttransistoren unter­ schiedlicher Bauart zur Messung von physikalischen und chemischen Para­ metern.

Fig. 2 zeigt als Beispiel einen bekannten, aus Silizium prozessierten Sensor, der als pH-sensitiver Feldeffekttransistor aufgebaut ist. Es handelt sich dabei um einen ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor). Diese Art von Sensoren de­ tektiert die Säurestärke von Flüssigkeiten über die Wechselwirkung von Proto­ nen der Flüssigkeit mit der auf die Gate-Fläche aufgebrachten isolierenden Schicht, wie z. B. SiO₂, Si₃N₄, usw. Derartige Sensoren werden resistiv oder ka­ pazitiv ausgelesen. Auf einem Grundkörper 100 aus p-Silizium ist ein Source- Anschluss 101 und ein Drain-Anschluss 102 aufgebracht. Zwischen dem Sour­ ce-Anschluss 101 und dem Drain-Anschluss 102 befindet sich eine isolierende Gate-Schicht 103. Jeweils unter den Source- und Drain-Anschlüssen 101 bzw. 102 befinden sich Bereiche 104 von n⁺-Si.

Die bekannten Sensoren haben jedoch den Nachteil, dass sie keine Wechsel­ wirkungen mit polaren Flüssigkeiten zeigen. Weiterhin sind sie nur bedingt unter rauhen Umweltbedingungen einsetzbar, was zu einer aufwendigen Auf­ bau- und Verbindungstechnik führt. Weiterhin ist mit den bekannten Sensoren keine Fernabfrage möglich. Hinzu kommt noch, dass die Ströme, die das Messsignal tragen, im Falle des bekannten ISFET relativ klein und damit schwierig zu verarbeiten sind. Aufgrund der Materialeigenschaften von Silizi­ um kann der ISFET nur bedingt chemisch wie mechanisch belastet werden, was zu der oben bereits angesprochenen, aufwendigeren Aufbau- und Ver­ bindungstechnik führt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen ionensensititven Halbleitersensor zu schaffen, der Medien bzw. Flüssigkeiten mit verschiede­ nen Dipolmomenten und verschiedenen pH-Werten detektieren und unter­ scheiden kann und dabei kostengünstig und robust hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den ionensensitiven Halbleitersensor gemäß Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Der erfindungsgemäße Ionensensitive Halbleitersensor umfasst eine Folge von Schichten, die in Form eines Feldeffekttransistors ausgebildet sind, wobei je­ weils mindestens ein Source-Anschluss und ein Drain-Anschluss des Feldef­ fekttransistors durch die Schichtfolge miteinander gekoppelt sind, und mit Mitteln zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der Schichtfolge, wobei die Schichtfolge eine Heterostruktur aus Gruppe-III-Nitriden umfasst, die als HEMT-Struktur (High Electron Mobility Transistor) ausgebildet ist.

Durch die Erfindung ist es möglich, einen polaritäts- und pH-Wert-empfind­ lichen Flüssigkeitssensor bzw. Gassensor einfach aufzubauen. Insbesondere durch die Wahl der Gruppe-III-Nitride als Sensormaterialien zeichnet er sich auch dadurch aus, dass er Stresseinwirkungen, insbesondere chemischem und mechanischem Stress, ausgesetzt werden kann. Weiterhin ist eine Signalaus­ wertung mittels Fern- bzw. Funkabfrage leicht zu integrieren. Mit dem Sensor können z. B. Einlagerungen von Wasser in Ölen oder Bremsflüssigkeiten über die Bestimmung der polaren Anteile der Flüssigkeit festgestellt werden. Eben­ so ist in den zu messenden Medien die Säurestärke durch Messung des pH- Wertes bestimmbar.

Vorteilhafterweise ist die oberste Schicht der Schichtfolge bzw. die Gate- Oberfläche derart ausgestaltet, dass sie während der Messung in direktem Kontakt mit dem zu messenden Medium steht. D. h., die Gate-Fläche ist in die­ ser besonderen Ausgestaltung der Erfindung weder mit einer isolierenden Schicht bedeckt noch metallisiert.

Bevorzugt hat die Schichtfolge oder mindestens eine Schicht der Schichtfolge piezoelektrische Eigenschaften. Durch die piezoelektrischen Eigenschaften des Sensormaterials kann das Messsignal z. B. auch in Form von Oberflächenwellen ausgelesen werden. Dadurch ist es insbesondere möglich, eine Fern­ abfrage zu realisieren.

Der ionensensitive Halbleitersensor kann z. B. einen oder mehrere Oberflä­ chenwellenfilter zum Auslesen eines Messsignals umfassen. Beispielsweise ist zusätzlich eine Antenne zur Übertragung eines Messsignals an eine Auswerte­ station und/oder zur drahtlosen Fernabfrage eines Messsignals vorgesehen. Somit kann der Sensor über die Fernabfrage bedient werden, d. h. es sind kei­ nerlei Zuleitungen bzw. Energieversorgungseinheiten direkt am Sensor not­ wendig. Beispielsweise kann eine Sender-Empfänger-Einheit, die vorteilhaft­ erweise im Megahertz-Bereich arbeitet, in größerer Distanz zum Sensor aufge­ stellt werden. Der Sensor wird also in dieser Ausgestaltung der Erfindung di­ rekt über Oberflächenwellenfilter ausgelesen.

Vorteilhafterweise ist an einer Grenzfäche zwischen zwei Schichten der Schichtfolge ein zweidimensionales Elektronengas ausgebildet oder ausbild­ bar. Die Schichtfolge kann z. B. ein oder mehrere GaN-Schichten und ein oder mehrere Al-GaN-Schichten, insbesondere in wechselnder Folge, umfassen. Bevorzugt umfasst die Schichtfolge AlGaN, sie kann aber auch aus quaternären Verbindungen der Gruppe-III-Nitride hergestellt bzw. herstellbar sein. D. h., die Heterostruktur besteht aus einer abwechselnden Schichtfolge von ver­ schiedenen Gruppe-III-Nitriden. Durch Polarisationseffekte entsteht an einer der Grenzflächen dieser Schichten ein zweidimensionales Elektronengas mit hoher Ladungsträgerkonzentration und hoher Ladungsträgerbeweglichkeit. Dadurch sind hohe Kanalströme im Transistor realisierbar, die eine Signalaus­ wertung erleichtern.

Insgesamt basiert der Sensor auf einer Heterostruktur aus Gruppe-III-Nitriden, die als Feldeffekttransistor mit hoher Ladungsträgerdichte und hoher La­ dungsträgerkonzentration (HEMT: High Electron Mobility Transistor) aufge­ baut ist. Prinzipiell wird dabei über zwei Kontakte, d. h. Source und Drain, auf der Oberfläche der Struktur eine Spannung angelegt, die zu einem Strom bzw. Kanalstrom zwischen diesen Kontakten führt. Dieser kann durch Potentialveränderungen auf der Oberfläche zwischen den Kontakten, d. h. auf der Gate- Fläche, verändert werden.

Bevorzugt ist die oberste Schicht der Schichtfolge als GaN-Schicht oder als Al­ GaN-Schicht ausgebildet. Vorteilhafterweise dient diese oberste Schicht zur Kontaktierung des zu messenden Mediums. D. h., die bevorzugten Gruppe-III- Nitride des Sensors gemäß dieser Ausführungsform sind abwechselnde Schichten von GaN und AlGaN, die in zwei verschiedenen Reihenfolgen, ent­ weder N-Face oder Ga-Face, auf einem Substrat aufgewachsen sein können. Das Substrat kann z. B. aus Saphir, SiC oder (111)-Si hergestellt sein. Die Schichten können insbesondere epetaktisch mittels MBE-Verfahren bzw. Mo­ lecular Beam Epetaxy oder auch MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor De­ position) aufgewachsen werden.

Vorteilhafterweise umfassen die Source- und Drain-Anschlüsse Schichtfolgen von Metallen, bevorzugt aus Ti/Al und/oder Ti/Au. Die Schichtfolge kann z. B. als HEMT-Struktur und/oder als MODFET-Struktur ausgestaltet sein.

Vorteilhafterweise ist eine weitere Nukleationsschicht vorgesehen, die die Schichtfolge von dem darunter liegenden Substrat trennt.

Bevorzugt ist eine Dichtung zur Trennung der Kontakte von dem zu messen­ den Medium vorgesehen. Dadurch sind während der Messung die Kontakte bzw. Source- und Drain-Anschlüsse nicht der Flüssigkeit ausgesetzt, sondern durch die Dichtung von der Gate-Fläche getrennt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der ionensensitive Halbleiter­ sensor monolithisch aufgebaut.

Der Sensor hat gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eine auf der Gate-Fläche angeordnete funktionale Schicht zur Unterscheidung ver­ schiedener Ionenarten und/oder zur quantitativen Bestimmung von Ionen. Durch das Aufbringen einer funktionalen Schicht auf die Gate-Fläche ist eine noch bessere Unterscheidung zwischen verschiedenen Ionensorten, sowie eine quantitative Bestimmung der Menge dieser Ionen möglich.

Diese Schichtsysteme können z. B. aus so genannten Ionentauschern, wie z. B. Ceolithen, gefertigt sein, die für bestimmte Ionen selektiv durchlässig sind. Diese Ionen können beispielsweise Na+, Mg+, Ca++ usw. sein. In diesem Fall treten nur die durchgelassenen Ionen auf die Gate-Fläche bzw. GaN-Fläche und lösen dort den Sensoreffekt aus.

Zur verbesserten Messung der Leitfähigkeit oder der pH-Werte von Flüssig­ keiten kann beispielsweise eine funktionelle Schicht aus einer leitenden Kera­ mik auf der Gate-Fläche aufgebracht sein. Eine derartige leitende Keramik kann z. B. ein Protonenleiter sein, wie er beispielsweise unter dem Namen ORMOCER© bekannt ist. D. h., es ist möglich, eine funktionale Schicht aufzu­ bringen, die für ionisierte Wasserstoffatome selektiv ist.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a einen Schnitt durch einen Halbleitersensor gemäß einer bevorzug­ ten Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung, der ein Ga-Face HEMT ist;

Fig. 1b einen Schnitt durch einen Halbleitersensor gemäß der vorliegenden Erfindung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in schematischer Darstellung, der ein N-Face HEMT ist;

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Silizium ISFET gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 3 ein Beispiel einer Messung, die mit dem erfindungsgemäßen Halb­ leitersensor an Aceton durchgeführt wurde;

Fig. 4 ein Beispiel einer Messung, die mit dem erfindungsgemäßen Sensor nacheinander an Propanol, Aceton und Methanol durchgeführt wurde;

Fig. 5 ein Beispiel einer Messung, die mit dem erfindungsgemäßen Sensor in Flüssigkeiten mit unterschiedlichem pH-Wert durchgeführt wur­ de;

Fig. 6a einen erfindungsgemäßen Halbleitersensor gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, der ein Oberflächenwellen-Flüs­ sigkeitssensor ist;

Fig. 6b einen Halbleitersensor gemäß einer anderen bevorzugten Ausfüh­ rungsform, der ebenfalls ein Oberflächenwellen-Flüssigkeitssensor ist;

Fig. 7 einen erfindungsgemäßen Halbleitersensor mit einer funktionalen Schicht gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform in einer schematischen Schnittansicht; und

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform der Erfindung in schematischer Schnittdarstellung, wobei beide Polaritäten auf einem Sensor ausge­ bildet sind.

Fig. 1a zeigt einen ionensensitiven Halbleitersensor 10 mit einer so genannten Ga-Face-Struktur. Eine oben gelegene Schicht 1 aus GaN trägt an ihrer Ober­ fläche einen Source-Kontakt bzw. -Anschluss 2 und einen Drain-Anschluss 3, die voneinander beabstandet sind. Unterhalb der oberen GaN-Schicht 1 schließt sich direkt eine AlGaN-Schicht 4 an. Unterhalb der AlGaN Schicht 4 und in direktem Kontakt dazu befindet sich wiederum eine GaN-Schicht S. die eine untere GaN-Schicht bildet. D. h., die Source- und Drain-Anschlüsse 2 bzw. 3 sind auf einer Folge von Schichten 1, 4 und 5 angeordnet, die eine He­ terostruktur aus Gruppe-III-Nitriden umfasst, die als HEMT-Struktur ausgebil­ det ist, d. h. als eine Struktur mit einer hohen Elektronenmonbilität.

Zwischen der unteren GaN-Schicht 5 und der darüber liegenden AlGaN- Schicht 4 befindet sich ein zweidimensionales Elektronengas 6, das durch Pola­ risationseffekte an der Grenzfläche dieser beiden Schichten (4, 5) ausgebildet ist. Im Bereich des zweidimensionalen Elektronengases 6 besteht eine hohe Ladungsträgerkonzentration und eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit. Da­ durch sind besonders hohe Kanalströme in dem Transistor realisierbar, die eine verbesserte Signalauswertung ermöglichen.

Die Flächenladungsdichte an der Grenzfläche zwischen der unteren GaN- Schicht 5 und der AlGaN-Schicht 4 ist sehr hoch und beträgt beispielsweise bei einer Temperatur von 20°C bis zu 10¹³ cm^-2. Die Beweglichkeit der Ladungs­ träger kann bei dieser Temperatur beispielsweise bis zu 2000 cm²/Vs betra­ gen. Da die Bewegung der Ladungsträger nur entlang der Grenzfläche und nicht senkrecht dazu möglich ist, spricht man von einem zweidimensionalen Elektronengas. Dieses zweidimensionale Elektronengas 6 befindet sich sehr nahe der Oberfläche der Struktur, z. B. in einem Abstand von weniger als 100 nm.

Die obere GaN-Schicht 1 dient zur besseren Kontaktierung des zweidimensio­ nalen Elektronengases 6 und trägt die Source- und Drain-Kontakte 2 bzw. 3, die aus einer Schichtfolge verschiedener Metalle bestehen. Diese Metalle sind beispielsweise Ti/Al, Ti/Au oder Ähnliches. Die nachfolgenden Schichten aus AlGaN und GaN führen durch Polarisationssprünge an der Grenzfläche zur Ausbildung des zweidimensionalen Elektronengases 6.

Unterhalb der unteren GaN-Schicht 5 befindet sich eine für die Ga-Face- Struktur notwendige Nukleationsschicht 7 aus AlN. Die gesamte Schichtfolge wird von einem Substrat 8 getragen, wobei für das Substrat 8 verschiedene Materialien, beispielsweise mit hexagonaler Wurzitstruktur verwendet werden können, wie z. B. SiC, (111)-Si oder auch Saphir.

Der Halbleitersensor 10 mit seiner hier gezeigten Ga-Face-Struktur entspricht einem Feldeffekttransistor ohne metallisierter Gate-Fläche, d. h. die Fläche zwi­ schen dem Source-Kontakt bzw. Anschluss 2 und dem Drain-Kontakt bzw. Anschluss 3 ist die blanke Halbleiteroberfläche und nicht eine MOS oder Shottky-Diode.

Das zweidimensionale Elektronengas 6 wird über den Source-Anschluss 2 und den Drain-Anschluss 3 kontaktiert und eine angelegte Spannung führt zu ei­ nem Kanalstrom, der durch Potentialveränderungen auf der Gate-Fläche be­ einflusst werden kann. Diese Potentialveränderung auf der Gate-Fläche, die durch die Oberfläche der GaN-Schicht 1 gebildet ist, bewirkt den Sensoreffekt. D. h., durch Kontakt eines zu messenden Mediums, beispielsweise einer Flüs­ sigkeit oder eines Gases, mit der Gate-Fläche bzw. mit der Oberfläche der obe­ ren GaN-Schicht 1 wird eine Potentialveränderung bewirkt, welche die Aus­ gestaltung des zweidimensionalen Elektronengases 6 beeinflusst und somit einen veränderten Kanalstrom bzw. eine veränderte elektrische Leitfähigkeit der Schichtfolge bewirkt. Zur Messung des Stromes bzw. der elektrischen Leitfähigkeit der Schichtfolge, die das zweidimensionale Elektronengas 6 ent­ hält, sind geeignete Mittel, beispielsweise in Form von Widerstandsmessgerä­ ten oder Strom- bzw. Spannungsmessern, vorgesehen.

Die obere GaN-Schicht 1 dient insgesamt zur besseren Kontaktierung und kann, je nach den Erfordernissen des Einzelfalls, auch weggelassen werden. In diesem Fall wird die Gate-Fläche durch die AlGaN-Schicht 4 gebildet.

Fig. 1b zeigt einen Halbleitersensor gemäß einer weiteren bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung, ebenfalls in einer schematischen Schnittdarstel­ lung. Der Halbleitersensor 20 gemäß Fig. 1b ist als N-Face HEMT ausgebildet. Die oberste Schicht der Schichtfolge des Halbleitersensors 20, die den Source- Anschluss 2 und den Drain-Anschluss 3 trägt, wird in diesem Fall durch eine AlGaN-Schicht 21 gebildet. Unter der oberen AlGaN-Schicht 21 befindet sich eine GaN-Schicht 22 und darunter wiederum eine AlGaN-Schicht 23, die eine untere AlGaN-Schicht bildet. Unterhalb der unteren AlGaN-Schicht 23 liegt eine weitere, untere GaN-Schicht 24. Die verschiedenen Schichten der Schichtfolge stehen in direktem Kontakt miteinander. Die Schichtfolge ist auf dem Substrat 8 aufgetragen.

Das Substrat 8 und die Source- und Drain-Anschlüsse 2 bzw. 3 sind, wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 1a beschrieben, ausgestaltet.

Im Fall des N-Face HEMT gemäß Fig. 1b, der den Halbleitersensor 20 bildet, entsteht zwischen der unteren AlGaN-Schicht 23 und der darüber liegenden GaN-Schicht 22, d. h. an der Grenzfläche zwischen diesen beiden Schichten, das zweidimensionale Elektronengas 6, das charakteristisch für die gezeigte Schichtfolge ist. Die oberste Schicht, d. h. die AlGaN-Schicht 21 dient zur Kontaktierung des zweidimensionalen Elektronengases 6.

Die Schichtfolge GaN-AlGaN-GaN führt zur Ausbildung des zweidimensiona­ len Elektronengases 6 an der Grenzfläche AlGaN-GaN. Das unter der Schicht­ folge liegende Substrat 8 aus Saphir ist für epitaktisches Kristallwachstum ver­ antwortlich. Der so realisierte HEMT bzw. High Electron Mobility Transistor kann somit als ionensensitiver Halbleitersensor bzw. als Gas- oder Flüssigkeits­ sensor verwendet werden. Die geschaffenen Strukturen können auch als MODFET bzw. Modulation Doped Field Effect Transistor bezeichnet werden.

Da das zweidimensionale Elektronengas 6 in den Fig. 1a und 1b sehr nahe an der Oberfläche der Struktur entsteht, führen Potentialveränderungen an der Grenzfläche zwischen dem zu messenden Medium, beispielsweise einem Flu­ id, und dem Halbleiter auch zu einer Veränderung der Polarisationsfelder, die für die Ladungsträgerkonzentration des zweidimensionalen Elektronengases 6 verantwortlich sind. Dieser Effekt ändert also die Leitfähigkeit des zweidimen­ sionalen Elektronengases 6 und kann damit im Kanalstrom zwischen dem Source-Anschluss 2 und dem Drain-Anschluss 3 nachgewiesen werden. Wäh­ rend der Messung sind die Source- und Drain-Anschlüsse 2 bzw. 3 nicht der Flüssigkeit ausgesetzt, sondern über eine Dichtung, die in den Abbildungen nicht dargestellt ist, von der Gate-Fläche getrennt.

Fig. 3 zeigt eine Messung mit dem erfindungsgemäßen Halbleitersensor, wo­ bei der Kanalstrom, in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt ist. In dem hier ge­ zeigten Beispiel wurde die Gate-Fläche in bestimmten zeitlichen Abständen mit Aceton in Verbindung gebracht. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich das gemessene Signal gemäß Fig. 3 zeitlich in eine sehr schnelle und in eine langsa­ mere Antwort des Sensors auf den Kontakt der Gate-Fläche mit einer Flüssig­ keit, im vorliegenden Fall Aceton, einteilen lässt. Die schnelle Antwort erfolgt unmittelbar auf den Kontakt der Gate-Fläche mit dem Aceton, wobei der Ka­ nalstrom schlagartig von ca. 38 mA auf ca. 12 mA absinkt, wobei hierfür weni­ ger als 1 sec benötigt wird. Anschließend erfolgt eine weitere Absenkung auf ca. 10 mA in einem Zeitraum von ca. 100 sec.

Beim erneuten Kontakt mit Luft steigt der Kanalstrom von ca. 10 mA wiederum zunächst sehr steil bzw. schlagartig auf ca. 30 mA an und benötigt dann ca. weitere 200 sec um weiter auf einen Wert von ca. 38 mA anzusteigen. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich eine sehr schnelle Antwort bzw. Fast Response im Bereich von weniger als 1 sec und anschließend eine langsamere Antwort bzw. Slow Response im Bereich von mehr als 100-200 sec einstellt.

Der Fast Response bzw. die schnelle Antwort kann dabei auf die schnelle Wechselwirkung zwischen den Dipolmomenten der Flüssigkeit und der pola­ ren Oberfläche des Sensors zurückgeführt werden.

Besonders hoch ist die Änderung des Kanalstromes beim Benetzen einer zuvor mit Luft in Kontakt stehenden Gate-Fläche mit einer Flüssigkeit (relative Strom­ änderung Δl/l^~ 50%). Die Langzeitantwort beruht auf dem langsameren La­ dungsaustausch der Ionen der Flüssigkeit mit der Halbleiteroberfläche.

Ein ähnliches Diagramm ist in Fig. 4 gezeigt, wobei ebenfalls der Kanalstrom in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt ist. Dabei wurden verschiedene Flüssig­ keiten in Kontakt mit der Halbleiteroberfläche bzw. Gate-Fläche gebracht. Die­ se Flüssigkeiten waren nacheinander Propanol (a), Aceton (b) und Methanol (c). Auch hier ist die Unterteilung in schnelle und langsame Antwort des Sen­ sors deutlich erkennbar. Je nach Polarität der Flüssigkeit ändert sich der Betrag des Kanalstromes.

Fig. 5 zeigt das Ergebnis der Messung von Flüssigkeiten verschiedener pH- Werte. Auch hier ist der Kanalstrom in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt.

Der Signalverlauf über einige Minuten ist dabei charakteristisch für verschie­ dene Säurestärken. Beide Signalanteile spiegeln die Leitfähigkeitsänderung im zweidimensionalen Elektronengas 6 (siehe Fig. 1a und 1b) aufgrund der Wechselwirkung der Halbleiteroberfläche mit verschiedenen Flüssigkeiten wieder.

In der oben unter Bezugnahme auf die Fig. 1a und 1b beschriebenen Sensor­ struktur besteht die sensitive Oberfläche zwischen dem Source-Anschluss 2 und dem Drain-Anschluss 3 aus einer GaN-Cap Layer bzw. GaN-Deckschicht, die bei der Messung direkt in Kontakt mit der zu messenden Flüssigkeit bzw. einem Medium steht. Die Wechselwirkung wird zwischen den Dipol- Momenten bzw. den Ionen in dem Medium und der polaren Oberfläche der bevorzugten Halbleiter-Heterostruktur GaN/AlGaN hervorgerufen. Das Vor­ zeichen der Polarisation der Oberfläche kann je nach Anforderungen der zu untersuchenden Flüssigkeit durch die Wahl eines als Ga-Face (negativ) oder N- Face (positiv) prozessierten HEMT's ausgewählt werden.

Die Nukleationsschicht 7 in Fig. 1a dient hauptsächlich zum gezielten Wachs­ tum von Ga-Face GaN. Ohne Nukleationsschicht erhält man N-Face GaN.

Die Fig. 6a und 6b zeigen weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfin­ dung in schematischer, perspektivischer Darstellung.

Der in Fig. 6a gezeigte Halbleitersensor bzw. Flüssigkeitssensor 30 ist schicht­ weise aufgebaut, wie oben unter Bezugnahme auf die Fig. 1a beschrieben. Die einzelnen, übereinander liegenden Schichten sind mit den selben Bezugszei­ chen gekennzeichnet. Das zweidimensionale Elektronengas 6 befindet sich an der Grenzfläche zwischen der GaN-Schicht 5 und der darüber liegenden Al­ GaN-Schicht 4. Der Halbleitersensor 30 hat auf seiner oben gelegenen Ober­ fläche 31 bzw. Oberseite eine Interdigital-Struktur 32, die mit einer Antenne 33 gekoppelt ist. In einem Abstand d von der Interdigital-Struktur 32 entfernt be­ findet sich eine weitere Interdigital-Struktur 34, die ebenfalls auf der Oberflä­ che 31 des Flüssigkeitssensors 30 angeordnet ist und zur Reflexion von Ober­ flächenwellen dient.

Im Betrieb wird ein von der Antenne 33 empfangener Funkpuls mittels der In­ terdigital-Struktur 32 über den piezoelektrischen Effekt in eine mechanische Oberflächenwelle verwandelt. Diese breitet sich über eine Laufstrecke, die durch den Abstand d gegeben ist, auf dem Sensor 30 aus und wird an der weiteren Interdigital-Struktur 34, die eine Elektrodenstruktur darstellt, reflek­ tiert. Belastet man diese Elektroden mit unterschiedlichen Widerständen, wie sie bei dem oben beschriebenen Sensoreffekt auftreten, so trägt die reflek­ tierte Oberflächenwelle die Signalinformation des Sensors in Form einer unter­ schiedliche stark gedämpften Welle. An der Interdigital-Struktur 32 bzw. dem mit der Antenne 33 gekoppelten Interdigital-Transducer wird diese mechani­ sche Welle über den inversen piezoelektrischen Effekt in eine elektrische Spannung U umgewandelt, die über die Antenne 33 einen Funkpuls zum Empfänger zurücksendet.

D. h., die sensitive Gate-Fläche ist als resistive Last an der Interdigital-Struktur 34 angeschlossen. Der Widerstand dieser Last hängt von den Eigenschaften der Flüssigkeit auf der Gate-Fläche bzw. Oberfläche 31 ab. Es werden also die von der Interdigital-Struktur 32 erzeugten Oberflächenwellen an der Interdigi­ tal-Struktur 34 reflektiert, wobei der Reflexionsfaktor von der Last an der Inter­ digital-Struktur 34 abhängt und somit das reflektierte Signal die Informationen über die Flüssigkeit trägt.

Abb. 6b zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung eines Halbleiter- bzw. Flüssigkeitssensors 40, der ähnlich dem in Fig. 6a gezeigten Flüssigkeitssensor 30 aufgebaut ist, jedoch an seiner Oberfläche 31 eine zusätzliche elektrisch leitende Schicht 41 trägt. Die Schichten und Elemente des Flüssigkeitssensors 40 sind mit den selben Bezugszeichen gekennzeichnet, wie sie auch bei Fig. 6a verwendet sind. Die elektrisch leitende Schicht 41 befindet sich zwischen der Interdigital-Struktur 32 und der weiteren Interdigital-Struktur 34. Die sensitive Gate-Fläche liegt auf der Laufstrecke der Oberflächenwelle zwischen der In­ terdigital-Struktur 32 und der Interdigital-Struktur 34. Die Dämpfung der O­ berflächenwelle hängt unter anderem auch von der Leitfähigkeit der Gate- Fläche bzw. Oberfläche 31 ab. Die elektrisch leitende Schicht 41 dämpft die laufende Welle. Durch den Sensor-Effekt wird die Leitfähigkeit der Gate- Fläche verändert. Die bereits gedämpfte Welle wird dann an der Interdigital- Struktur 34 reflektiert, nochmals auf der Gate-Fläche gedämpft und erreicht dann die Interdigital-Struktur 32.

Das Messsignal wird also direkt auf der Lauffläche der Oberflächenwelle dazu verwendet, die mechanische Welle zu dämpfen. Wird nun durch den Sensor­ effekt die Leitfähigkeit der Laufstrecke verändert, so führt dies auch zur Dämpfung der Welle, die von der Interdigital-Struktur 34 bzw. dem weiteren Interdigital-Transducer reflektiert wird und dann über die Antenne 33 abge­ strahlt werden kann.

Beide in den Fig. 6a und 6b gezeigten Ausführungsformen des Sensors zeigen den Vorteil des hier beschriebenen Sensorkonzeptes. Es ist somit möglich, ei­ nen monolithischen, fernabfragbaren Sensor aufzubauen, der zur Detektion von Flüssigkeiten mit verschiedenen Dipol-Momenten oder pH-Werten dient. Die piezoelektrischen Gruppe-III-Nitride, insbesondere GaN und AlGaN, er­ möglichen die Signalverarbeitung mittels Oberflächenwellen, wie sie in den Fig. 6a und 6b dargestellt ist.

Fig. 7 zeigt noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem hier gezeigten Halbleitersensor 50 ist auf dem Substrat 8 eine Ga-Face oder N-Face-Heterostruktur angeordnet, wie sie oben ausführlich unter Be­ zugnahme auf die Fig. 1a und 1b beschrieben wurde. Im oberen Bereich der Struktur befindet sich das zweidimensionale Elektronengas 6. An der Oberflä­ che der Struktur befindet sich der Source-Anschluss 2 und der Drain- Anschluss 3. Zwischen Source und Drain ist an der Oberfläche eine funktionale Schicht 51 angeordnet. Die funktionale Schicht 51 auf der Gate-Fläche ist se­ lektiv für unterschiedliche Ionen und dient somit zur besseren Unterscheidung zwischen verschiedenen Ionensorten. Weiterhin ist eine quantitative Bestim­ mung der Menge dieser Ionen möglich.

Die funktionale Schicht 51 kann z. B. aus Ionentauschern gefertigt sein, die für bestimmte Ionen, wie beispielsweise Na+, Mg+, Ca++, usw. selektiv durchläs­ sig sind. Als Ionentauscher dienen z. B. Ceolithe. Durch die selektive Durchlässigkeit treten nur bestimmte Ionen auf die Oberfläche der sensitiven Schicht­ folge bzw. auf die GaN-Fläche, um dort den Sensoreffekt auszulösen.

Die funktionale Schicht 51 kann z. B. auch aus einer leitenden Keramik beste­ hen bzw. gefertigt sein, die für ionisierte Wasserstoffatome bzw. H+ selektiv ist. Damit kann die Leitfähigkeit oder der pH-Wert von Flüssigkeiten besser bestimmt werden. Die leitende Keramik ist somit bevorzugt ein Protonenleiter, wie z. B. ORMOCER©. Je nach Wahl der Schichtfolge, d. h. als Ga-Face oder N- Face, kann zudem auch das Vorzeichen der Ladung der zu detektierenden Io­ nen festgestellt werden.

In Fig. 8 ist ein weiterer Sensor bzw. Halbleitersensor 60 gezeigt, der eine Kombination beider Schichtfolgen, d. h. sowohl Ga-Face als auch N-Face, in einem einzigen Sensor umfasst. D. h., es sind beide Polaritäten auf einem ein­ zigen Sensor vorhanden. Auf der Oberfläche der Heterostruktur sind randlich gelegen zwei Drain-Anschlüsse 61, 62 vorhanden, zwischen denen ein ge­ meinsamer Source-Anschluss 63 angeordnet ist. Das zweidimensionale Elekt­ ronengas 6 befindet sich, wie oben beschrieben, an einer Grenzfläche inner­ halb der Heterostruktur.

Auf der in Fig. 8 linken Seite des Sensors ist eine N-Face-Struktur ausgebildet, während auf der rechten Seite eine Ga-Face-Struktur ausgebildet ist. Bei der Ga-Face-Struktur ist zwischen dem Substrat 8 und der Heterostruktur noch eine zusätzliche Nukleationsschicht 7 angeordnet. Die Herstellung dieses Sen­ sors mit der Kombination beider Schichtfolgen erfolgt auf eine Weise, wie sie z. B. in dem Artikel "Lateral polarity heterostructures by overgrowth of patter­ ned Al_xGA_1-xN nucleation layers", R. Dimitrov et. al., Mat. Res. Soc. Symp. Vol. 622, 2000 Materials Research Society, beschrieben ist.

Der Nachweis von Ionen kann auch auf Gase erweitert werden. Die durch ver­ schiedene Arten von Strahlung (UV, γ, usw.) erzeugten ionisierten Gasmole­ küle, im einfachsten Fall Luft, können ebenfalls über den beschriebenen Me­ chanismus detektiert werden.

Zusätzlich zu den bereits beschriebenen Eigenschaften und Vorteilen bietet die vorliegende Erfindung eine Möglichkeit, Menge und Art von Ionen in Flüssig­ keiten zu detektieren, d. h. es wird ein Dosimeter geschaffen. Die fernabfrag­ baren Komponenten bleiben auch bei den funktionalisierten Gate-Flächen er­ halten. Durch die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleitersensors und durch die erfindungsgemäße Verwendung spezieller Feldeffekttransisto­ ren wird ein Sensor zur Detektion von Flüssigkeiten mit verschiedener Polarität und mit verschiedenem pH-Wert geschaffen, der die Möglichkeit zur Fernab­ frage bietet, unter rauhen Bedingungen einsetzbar ist und bei der Herstellung einen reduzierten Aufwand bzw. eine weniger aufwendige Aufbau- und Ver­ bindungstechnik erfordert.

Claims (17)

1. Ionensensitiver Halbleitersensor, mit
einer Folge von Schichten, die in Form eines Feldeffekttransistors aus­ gebildet sind,
wobei jeweils mindestens ein Source-Anschluss (2) und ein Drain- Anschluss (3) des Feldeffekttransistors durch die Schichtfolge mitein­ ander gekoppelt sind, und
Mitteln zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der Schichtfol­ ge,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schichtfolge eine Heterostruktur (1, 4, 5; 21, 22, 23) aus Gruppe-III-Nitriden umfasst, die als HEMT-Struktur ausgebildet ist.

2. Ionensensitiver Halbleitersensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die oberste Schicht (1; 21) der Schichtfolge derart ausgestaltet ist, dass sie während der Messung in direkten Kontakt mit einem zu messenden Medium gerät.

3. Ionensensitiver Halbleitersensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolge oder mindestens eine Schicht der Schichtfolge piezoelektrische Eigenschaften aufweist.

4. Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch einen Oberflächenwellenfilter (32, 34) zum Auslesen eines Messsignals.

5. Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch eine Antenne (33) zur Übertragung eines Messsignals an eine Auswertestation und/oder zur drahtlosen Fernabfrage eines Messsignals.

6. Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Grenzfläche zwi­ schen zwei Schichten (4, 5; 22, 23) der Schichtfolge ein zweidimensi­ onales Elektronengas (6) ausgebildet oder ausbildbar ist.

7. Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolge ein oder mehrere GaN-Schichten (1, 5; 22, 24) und/oder ein oder mehrere Al­ GaN-Schichten (4; 21, 23) in wechselnder Folge umfaßt.

8. Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolge (1, 4, 5; 21, 22, 23) AlGaN umfasst und/oder aus quaternären Verbindungen der Gruppe-III-Nitride hergestellt ist.

9. Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oberste Schicht (1; 21) als GaN-Schicht oder als AlGaN-Schicht ausgebildet ist.

10. Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch ein Substrat (8), auf dem die Schichtfolge aufgebracht ist, wobei das Substrat (8) bevorzugt aus Sa­ phir, SiC oder (111)-Si gefertigt ist.

11. Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Source- und Drain- Anschlüsse (2, 3) Schichten oder Schichtfolgen von Metallen umfas­ sen, bevorzugt Ti/Al und/oder Ti/Au.

12. Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolge als HEMT- Struktur und/oder MODFET-Struktur ausgestaltet ist.

13. Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch eine Nukleationsschicht (7), die die Schichtfolge (1, 4, 5) von dem darunterliegenden Substrat (8) trennt.

14. Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch eine Dichtung zur Trennung der Kontakte (2, 3) von dem zu messenden Medium.

15. Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er monolithisch aufgebaut ist.

16. Ionensensitiver Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch eine auf der Gate-Fläche (31) des Feldeffekttransistors angeordnete funktionale Schicht (51) zur Unter­ scheidung verschiedener Ionenarten und/oder zur quantitativen Be­ stimmung von Ionen.

17. Ionensensitiver Halbleitersensor nach Anspruch 16, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die funktionale Schicht (51) aus Ionentauschern, insbesondere Zeolithen, gefertigt ist, die nur für bestimmte Ionen se­ lektiv durchlässig sind, und/oder aus einer leitenden Keramik gefertigt ist, die für ionisierte Wasserstoffatome selektiv ist.