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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Halbleitermaterials eines von einem Hersteller getesteten und ausgelieferten chemosensitiven Feldeffekttransistors, auf ein entsprechendes Messgerät sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Halbleitermaterials eines ausgelieferten chemosensitiven Feldeffekttransistors, ein entsprechendes Messgerät sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Bei dem chemosensitiven Feldeffekttransistor handelt es sich dabei um einen fertigen, von einem Hersteller getesteten chemosensitiven Feldeffekttransistor. D. h., mit anderen Worten, dass der Feleffekttransistor nicht nur gehaust und/oder verpackt ist, sondern dass bereits ein abgeschlossener Test an diesem erfolgt ist.
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Ein chemosensitiver Feldeffekttransistor weist eine Übertragungskennlinie auf. Die Übertragungskennlinie repräsentiert einen Zusammenhang zwischen einer angelegten Betriebsspannung in Kombination mit einer Konzentration einer chemischen Spezies an einer Sensorfläche des Feldeffekttransistors und einem daraus resultierenden Stromfluss durch den Feldeffekttransistor. Die Übertragungskennlinie kann verändert werden, wenn die chemische Spezies oder eine andere chemische Spezies beispielsweise elektrische Eigenschaften eines Halbleitermaterials des von einem Hersteller initial getesteten und ausgelieferten Feldeffekttransistors verändert.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Zustand des Halbleitermaterials aufgrund eines resultierenden Stromflusses zwischen einer Sourceelektrode und einer Bulkelektrode bei Anlegen einer Spannung zwischen der Bulkelektrode und einer Gateelektrode beurteilt werden kann. Basierend auf dem erkannten Zustand kann die Übertragungskennlinie angepasst werden, um auch bei veränderten Eigenschaften des Halbleitermaterials aussagekräftige Informationen über die Konzentration der zu erfassenden Spezies zu erhalten.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Halbleitermaterials eines von einem Hersteller getesteten und ausgelieferten chemosensitiven Feldeffekttransistors, wobei der chemosensitive Feldeffekttransistor einen Sourcekontakt, einen Drainkontakt, einen Gatekontakt einer chemosensitiven Gateelektrode und einen Substratkontakt aufweist, wobei das Verfahren nach Abschluss eines Testvorgangs des chemosensitiven Feldeffekttransistors erfolgt, wobei der Fertigungsprozess des chemosensitiven Feldeffekttransistors bereits abgeschlossen ist, und wobei das Verfahren (200) die folgenden Schritte aufweist:
Anlegen eines Messsignals zwischen dem Gatekontakt und einem Referenzpotenzial an den von dem Hersteller getesteten und ausgelieferten Feldeffekttransistor;
Erfassen eines Stroms zwischen dem Sourcekontakt und dem Substratkontakt; und
Ermitteln des Zustands unter Verwendung der Spannung und des Stroms.
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Unter einem von einem Hersteller getesteten und ausgelieferten chemosensitiven Feldeffekttransistor kann vorliegend ein bereits betriebsfertiger getesteter spannungsgesteuerter Transistor verstanden werden, bei dem ein Stromfluss durch einen Kanal zwischen einer Sourceelektrode und einer Drainelektrode über eine, zwischen der Sourceelektrode und einer Gateelektrode anliegende, Spannung gesteuert wird. Eine Anzahl von an der Gateelektrode angelagerten Ionen eines Fluidbestandteils eines Fluids steht in einem Gleichgewicht zu einem Partialdruck bzw. einer Konzentration des Fluidbestandteils in dem Fluid. Die Anzahl der Ionen bestimmt eine Ladungskonzentration in der Gateelektrode. Durch die Ladungskonzentration bildet sich ein elektrisches Feld an der Gateelektrode aus. Das elektrische Feld beeinflusst eine Leitfähigkeit des Kanals durch ein Anziehen oder Abstoßen von Ladungsträgern im Halbleitersubstrat. Ein Substratkontakt kann auf einer, der Gateelektrode gegenüberliegend angeordneten Seite des Transistors angeordnet sein, und an das Halbleitersubstrat angeschlossen sein. Unter einem Anlegen eines Messsignals kann ein Verbinden der Kontaktes mit einer Spannungsquelle, oder mit einer Quelle die ein zeitlich verändertes Spannungssignal erzeugt, verstanden werden. Die Masse kann als potenzialfreier Bereich verstanden werden. Unter einem Erfassen kann ein Messen und/oder ein Abgreifen des Stromflusses verstanden werden. Im Schritt des Ermittelns kann ein Wert des Stroms oder der Strom selbst verwendet werden. Im Schritt des Ermittelns kann ein Wert der Spannung oder die Spannung selbst verwendet werden. Der Zustand kann unter Verwendung einer Verarbeitungsvorschrift ermittelt werden. Unter einer Verarbeitungsvorschrift kann eine Vorschrift verstanden werden, bei der die Größen des Stroms und der Spannung, gegebenenfalls weitere Größen miteinander verknüpft werden, um eine Beurteilung des Zustandes des Halleitermaterials vorzunehmen. Ein solcher Zustand kann beispielsweise eine bestimmte Sättigung des Halbleitermaterials, insbesondere des Substrats des Feldeffekttransistors mit einem bestimmten Stoff, der beispielsweise aus dem Fluid durch die Gateelektrode in das Substrat diffundiert ist, verstanden werden. Alternativ kann unter dem zu ermittelnden Zustand auch eine lokale, teilweise reversible oder auch irreversible Veränderung der Leitfähigkeit durch die Einwirkung des Stoffs aus dem Fluid in dem Substrat verstanden werden. Darüberhinaus können Gasspezies oder Reaktionsprodukte von Gasspezies aus der umgebenden Gasatmosphäre durch die Gateelektrode in das Substrat eindiffundieren. Ihre Anwesenheit entweder in/an der Gateelektrode, im Gateisolator oder im Substrat kann sich ebenfalls auf die Leitfähigkeit des Bauteils auswirken
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Das Messsignal kann als ein Spannungsimpuls angelegt werden, der eine ansteigende Flanke mit einem vorgegebenen zeitlichen Anstieg von einem ersten Spannungswert auf einen zweiten Spannungswert aufweist. Alternativ oder ergänzend kann der Spannungsimpuls eine fallende Flanke mit einem vorgegebenen zeitlichen Abfall von dem zweiten Spannungswert auf den ersten Spannungswert aufweisen. Unter einem zeitlichen Anstieg oder einem zeitlichen Abfall kann ein Ansteigen oder ein Abfallen der Spannung innerhalb einer vordefinierten Zeitdauer um einen vordefinierten Spannungswert verstanden werden. Durch ein kontrolliertes Ansteigen der Spannung bzw. durch ein kontrolliertes Abfallen der Spannung kann der Strom erfasst werden, wenn ein durch die Spannung erzeugtes elektrisches Feld zwischen der Gateelektrode und dem Substratkontakt gerade stark genug ist, um einen Stromfluss anzuregen. Dadurch kann der Spannungswert zu einem Stromwert des Stroms korreliert werden.. Die Spannungswerte können positiv und/oder negativ sein. Die Flanken können je einen Nulldurchgang aufweisen. Beispielsweise kann die ansteigende Flanke von einem negativen Spannungswert auf einen positiven Spannungswert ansteigen und dabei bei dem Nulldurchgang eine Spannung von Null Volt aufweisen. Beispielsweise kann die abfallende Flanke von einem positiven Spannungswert auf einen negativen Spannungswert abfallen und dabei einen weiteren Nulldurchgang aufweisen.
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Die Spannung kann eine vorgegebene erste Verweildauer auf dem ersten Spannungswert aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann die Spannung eine vorgegebene zweite Verweildauer auf dem zweiten Spannungswert aufweisen. Durch vorgegebene Verweildauern an den Extremwerten können Effekte, die bei steigender Flanke erfassbar sind von Effekten, die bei fallender Flanke erfassbar sind getrennt ausgewertet werden. Die Flanken können auch Plateaus aufweisen, um in kleineren Spannungsschritten den Zustand des Halbleitermaterials zu ermitteln.
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Im Schritt des Anlegens kann zumindest ein weiterer Spannungsimpuls angelegt werden. Im Schritt des Erfassens kann zumindest ein weiterer Strom erfasst werden. Durch ein Wiederholen der Messung kann eine Veränderung des Zustands gegenüber einer vorhergehenden Messung erfasst werden. Dadurch kann eine Veränderung des Zustands des Halbleitermaterials periodisch ermittelt werden.
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Der weitere Spannungsimpuls kann einen vordefinierten zeitlichen Anstieg von einem vom ersten Spannungswert unterschiedlichen dritten Spannungswert auf einen vom zweiten Spannungswert unterschiedlichen vierten Spannungswert aufweist, und/oder der weitere Spannungsimpuls kann eine von der ersten Verweildauer unterschiedliche dritte Verweildauer auf dem dritten Spannungswert und/oder eine von der zweiten Verweildauer unterschiedliche vierte Verweildauer auf dem vierten Spannungswert aufweisen. Durch unterschiedliche minimale und/oder maximale Spannungswerte können unterschiedliche Eigenschaften bzw. Zustände des Halbleitermaterials ermittelt werden. Wenn eine Spannungsdifferenz zwischen den zwei Spannungswerten geringer ist, als notwendig, um bei dem momentanen Zustand des Halbleitermaterials Ladungsträger zu bewegen, kann festgestellt werden, dass die benötigte Spannung momentan größer ist, als die Spannungsdifferenz zwischen den zwei Spannungswerten.
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Der weitere Spannungsimpuls kann gegenüber dem Spannungsimpuls eine geänderte Pulsform aufweisen, als der Spannungsimpuls. Beispielsweise können die Flanken unterschiedliche Gestalt aufweisen. Beispielsweise kann eine Flanke linear verlaufen und eine Flanke sinusförmig an- oder absteigend ausgeprägt sein. Durch flachere und/oder steilere Bereiche der Flanken können Spannungsbereiche schneller bzw. langsamer durchlaufen werden, um beispielsweise verzögerungsbehaftete Änderungen des Stroms erfassen zu können oder überspringen zu können.
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Im Schritt des Erfassens kann ein zeitlicher Verlauf des Stroms erfasst werden, wobei der Verlauf zumindest über eine Dauer des Anlegens der Spannung erfasst wird. Durch einen Verlauf können Zwischenzustände im Halbleitermaterial ermittelt werden, die aufgrund von Zustandsänderungen im Halbleitermaterial erkennbar werden.
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Das Verfahren kann einen Schritt des Verbindens eines Drainkontakts des Feldeffekttransistors mit dem Sourcekontakt aufweisen, wobei der Drainkontakt unmittelbar mit dem Sourcekontakt verbunden wird. Durch das Verbinden können der Sourcekontakt und der Drainkontakt auf ein identisches Potenzial gelegt werden. Unter einem Verbinden kann ein Kurzschließen verstanden werden oder über ein Verbinden mit einem Messinstrument, welches sich wie ein Kurzschluss verhält.
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Das Verfahren kann einen Schritt des Unterbrechens einer Versorgungsspannung aufweisen, in dem der Sourcekontakt von einem ersten Ausgang einer Spannungsquelle getrennt wird, und in dem der Drainkontakt von einem zweiten Ausgang der Spannungsquelle getrennt wird. Die Spannungsquelle kann eine Versorgungsspannung bereitstellen, die zum Betrieb des Transistors erforderlich ist. Durch das Unterbrechen kann der Transistor außer Betrieb genommen werden.
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Das Verfahren kann einen vor dem Schritt des Anlegens erfolgten Schritt des Messens einer Messgröße aufweisen, wobei die Messgröße unter Anlegen einer Versorgungsspannung zwischen dem Sourcekontakt und dem Drainkontakt sowie einem angelegten Spannungspotenzial an der Gateelektrode gemessen wird, wobei die Messgröße eine Konzentration zumindest eines Fluidbestandteils des Fluids repräsentiert. Das Verfahren kann einen nach dem Schritt des Ermittelns auszuführenden weiteren Schritt des Messens der Messgröße aufweisen. Die Messgröße kann der Stromfluss durch den Kanal zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode sein. Durch abwechselndes Messen und Ermitteln des Zustands kann ein Arbeitspunkt des Transistors sicher ermittelt werden, und ein Wert der Messgröße entsprechend korrigiert werden. Dadurch kann die Konzentration sicher bestimmt werden.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Messgerät zum Bestimmen eines Zustands eines Halbleitermaterials eines von einem Hersteller getesteten und ausgelieferten chemosensitiven Feldeffekttransistors, das ausgebildet ist, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einem Messgerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Signale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Messgerät kann zumindest eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Messgeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines Messgeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen eines Zustands eines Halbleitermaterials eines chemosensitiven Feldeffekttransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 ein Diagramm eines Spannungs-Zeit-Verlaufs eines Spannungsimpulses gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 ein Diagramm eines Strom-Zeit-Verlaufs eines erfassten Stromflusses gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
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5 eine Darstellung von Zustandsänderungen von Atomen eines Halbleitermaterials während eines Spannungsimpulses gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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6 eine Darstellung eines Kennfelds eines Halbleitersensors, das unter Beaufschlagung mit einer Vielzahl von verschiedenen Spannungsimpulsen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung erfasst wurde.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Messgeräts 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Messgerät 100 weist eine Einrichtung zum Anlegen 102, eine Einrichtung zum Erfassen 104 und eine Einrichtung zum Ermitteln 106 auf. Das Messgerät 100 ist dazu ausgebildet, einen Zustand eines von einem Hersteller getesteten und ausgelieferten Halbleitermaterials 108 eines chemosensitiven Feldeffekttransistors 110 zu bestimmen. Der chemosensitive Feldeffekttransistor 110 weist eine Sourceelektrode 112, eine Drainelektrode 114, eine chemosensitive Gateelektrode 116 und eine Substratelektrode 118 auf. Die Gateelektrode 116 ist durch eine Isolierschicht 120 elektrisch von dem Halbleitermaterial 108 isoliert. Die Isolierschicht 120 kann ebenfalls chemisch sensitiv sein. Dann kann die Gateelektrode 116 lediglich elektrisch leitend (ggf. auch porös) sein. Der chemosensitive Feldeffekttransistor 110 ist von einem Gas-Fluss beaufschlagt. Die Einrichtung zum Anlegen 102 ist mit einem Massekontakt 122, der ein Referenzpotenzial aufweist, und der Gateelektrode 116 verbunden. Die Einrichtung zum Anlegen 102 ist dazu ausgebildet, als Messparameter eine Spannung zwischen dem Gatekontakt 116 und dem Massekontakt 122 anzulegen. Die Einrichtung zum Anlegen 102 kann ein Pulsgenerator bzw. ein Oszillator sein. Die Einrichtung zum Erfassen 104 ist mit der Substratelektrode 118 und der Sourceelektrode 112 verbunden. Die Einrichtung zum Erfassen 104 ist dazu ausgebildet, einen Strom zwischen dem Sourcekontakt 112 und dem Substratkontakt 118 als Mess-Information zu erfassen. Die Verbindungsleitung zwischen dem Sourcekontakt 112 und der Einrichtung zum Erfassen 104 ist mit dem Massekontakt 122 verbunden. Die Einrichtung zum Ermitteln 106 ist mit der Einrichtung zum Anlegen 102 und der Einrichtung zum Ermitteln 104 verbunden.
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Die Einrichtung zum Ermitteln 106 ist dazu ausgebildet, unter Verwendung der Spannung und des Stroms den Zustand des Halbleitermaterials 108 zu ermitteln. Der chemosensitive Feldeffekttransistor 110 weist einen getrennten Base-Bulk-Kontakt 118 mit angeschlossener Strommessung 104 auf.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Bestimmen eines Zustands eines Halbleitermaterials eines von einem Hersteller getesteten und ausgelieferten chemosensitiven Feldeffekttransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 weist einen Schritt des Anlegens 202, einen Schritt des Erfassens 204 und einen Schritt des Ermittelns 206 auf. Das Verfahren 200 kann in einem Messgerät (106), wie es in 1 dargestellt ist durchgeführt werden. Im Schritt 202 des Anlegens wird eine Spannung zwischen einem Gatekontakt des von einem Hersteller getesteten und ausgelieferten Feldeffekttransistors und einem Massekontakt angelegt. Im Schritt 204 des Erfassens wird ein Strom zwischen einem Sourcekontakt des Feldeffekttransistors und einem Substratkontakt des Feldeffekttransistors erfasst. Im Schritt 206 des Ermittelns wird der Zustand unter Verwendung der Spannung und des Stroms ermittelt.
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Mit anderen Worten zeigt 2 ein Verfahren 200 zum Auswerten eines chemisch sensitiven Transistors mittels einer Charge Pumping Methode.. Das Charge Pumping ist ein Charakterisierungsverfahren zur Beurteilung der Halbleiter-Isolator Grenzfläche. Das Verfahren 200 kann zur Prozesskontrolle und Prozessbeurteilung verwendet werden und kann im fertigen Produkt bzw. im Betrieb verwendet werden.
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Eine Gasbeaufschlagung bei einem chemisch sensitiven Transistor verändert die physikalischen Eigenschaften des Gates inklusive der vorhandenen Störstellen. Das Charge Pumping Verfahren 200 misst diese Veränderungen, und liefert weitere Informationen über die zu messenden Gase. In der Regel wird im fertigen Produkt die Übertragungskennlinie des Transistors zur Beurteilung der Veränderung durch die Gasbeaufschlagung verwendet, der Einfluss der Störstellen auf die Übertragungskennlinie wird im Regelfall nicht berücksichtigt.
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Das Charge Pumping Verfahren 200 vermisst die Störstellen direkt. Im Gegensatz zu anderen direkten Störstellenbeurteilungsverfahren kann es aufgrund seiner Einfachheit auch direkt im Produkt angewendet werden.
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Ein Grundgedanke des Verfahrens 200 ist das Pulsen eines Transistors in Akkumulation und Inversion und das Messen des dabei fließenden Rekombinationsstromes, um äußere Einflüsse zu detektieren.
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Das Charge Pumping Verfahren 200 erfasst nur den Einfluss der Störstellen. Der Einfang von statischen Ladungen an der Gateelektrode beeinflusst das Charge Pumping Messergebnis nicht oder nur in sekundärer Weise. Somit lassen sich die normalerweise am Transistor erfassten konzentrationsbezogenen Signale und Einflüsse durch die Gaswechselwirkung voneinander trennen.
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Das Verfahren 200 kann bei allen halbleiterbasierten Sensoren mit Transistor, speziell bei halbleiterbasierten Gassensoren mit Transistor, zum Einsatz kommen.
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3 zeigt ein Diagramm eines Spannungs-Zeit-Verlaufs eines Spannungsimpulses 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, mit dem die Gateelektrode beispielsweise von dem Messgerät in 1 beaufschlagt wird. Auf der Abszisse des Diagramms ist eine fortlaufende Zeit angetragen. Auf der Ordinate des Diagramms ist eine Spannung zwischen einem Gatekontakt und einem Sourcekontakt eines chemosensitiven Feldeffekttransistors, wie er in 1 gezeigt ist angetragen. Der Spannungsimpuls 300 beginnt zu einem Zeitpunkt t1 bei einem ersten Spannungswert U1. Der Spannungsimpuls 300 weist eine steigende Flanke 302 mit einer vorgegebenen Steigung auf. Zu einem Zeitpunkt t2 weist der Spannungsimpuls 300 eine Spannung U2 auf und überschreitet eine Flachbandspannung Vfb. Zu einem Zeitpunkt t3 weist der Spannungsimpuls 300 eine Spannung U3 auf und überschreitet eine Tresholdspannung VT. Zu einem Zeitpunkt t4 weist der Spannungsimpuls 300 einen zweiten Spannungswert U4 auf. Zwischen dem ersten Spannungswert U1 und dem zweiten Spannungswert U4 weist die steigende Flanke 302 in diesem Ausführungsbeispiel eine konstante Steigung auf. Ab dem Zeitpunkt t4 bleibt der zweite Spannungswert U4 bis zu einem Zeitpunkt t5 konstant. Eine Verweildauer t4 bis t5 auf dem zweiten Spannungswert U4 ist vorgegeben. Ab dem Zeitpunkt t5 weist der Spannungsimpuls 300 eine fallende Flanke 304 mit einer weiteren vorgegebenen Steigung bzw. einem zeitlichen Abfall auf. Zu einem Zeitpunkt t6 weist der Spannungsimpuls 300 die Spannung U3 auf und unterschreitet die Tresholdspannung VT. Zu einem Zeitpunkt t7 weist der Spannungsimpuls 300 die Spannung U2 auf und unterschreitet die Flachbandspannung Vfb. Zu einem Zeitpunkt t8 weist der Spannungsimpuls 300 den ersten Spannungswert U1 auf. Zwischen dem zweiten Spannungswert U4 und dem ersten Spannungswert U1 weist die fallende Flanke 304 in diesem Ausführungsbeispiel ein konstantes Gefälle auf. Mit anderen Worten zeigt 3 eine Pulsform der an der Gateelektrode angelegten Spannung.
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Beispielsweise kann der erste Spannungswert U1 minus vier Volt betragen. Die Flachbandspannung Vfb kann minus zwei Volt betragen. Die Tresholdspannung VT kann eins Komma zwei Volt betragen. Der zweite Spannungswert U4 kann drei Volt betragen. Zum Zeitpunkt t1 können null Zeiteinheiten vergangen sein. Zum Zeitpunkt t2 können zwei Zeiteinheiten vergangen sein. Zum Zeitpunkt t3 können fünf Zeiteinheiten vergangen sein. Zum Zeitpunkt t4 können sieben Zeiteinheiten vergangen sein. Zum Zeitpunkt t5 können 93 Zeiteinheiten vergangen sein. Zum Zeitpunkt t6 können 95 Zeiteinheiten vergangen sein. Zum Zeitpunkt t7 können 98 Zeiteinheiten vergangen sein. Zum Zeitpunkt t8 können 100 Zeiteinheiten vergangen sein.
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4 zeigt ein Diagramm eines Strom-Zeit-Verlaufs eines erfassten Stromflusses 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Auf der Abszisse des Diagramms ist eine fortlaufende Zeit, wie in 3 angetragen. In 3 und 4 ist der gleiche Zeitabschnitt dargestellt. Auf der Ordinate des Diagramms ist ein Wert eines Stroms zwischen einem Sourcekontakt und einem Substratkontakt eines chemosensitiven Feldeffekttransistors, wie er in 1 gezeigt ist angetragen. Der Stromfluss 400 beginnt zu dem Zeitpunkt t1 bei einem Stromwert I1. Nach dem Zeitpunkt t1 fällt der Stromfluss 400 näherungsweise mit konstantem Gefälle. Zu dem Zeitpunkt t2 weist der Stromfluss 400 einen Stromwert I2 auf. Bis zu dem Zeitpunkt t3 bleibt der Stromfluss 400 konstant auf dem Stromwert I2. Nach dem Zeitpunkt t3 steigt der Stromfluss 400 rasch auf den Stromwert I1 an und bleibt dann bis kurz vor dem Zeitpunkt t6 auf dem Stromwert I1. Nach dem Zeitpunkt t6 steigt der Stromfluss auf einen Stromwert I3 an. Zwischen dem Stromwert I1 und dem Stromwert I3 weist der Stromfluss 300 eine steigende Flanke auf, die zuerst eine starke Steigung aufweist, dann abflacht und zuletzt erneut aufsteilt. Auf dem Stromwert I3 bleibt der Stromwert bis näherungsweise zu dem Zeitpunkt t7 konstant. Nach dem Zeitpunkt t7 fällt der Stromfluss 400 bis zu dem Zeitpunkt t8 von dem Stromwert I3 auf knapp über den Stromwert I1 ab. Mit anderen Worten zeigt 4 einen Chargepumping Stromfluss Icp 400.
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Beispielsweise kann der Stromwert I1 null Ampere sein. Der Stromwert I2 kann minus ein Ampere sein. Der Stromwert I3 kann zwei Ampere sein.
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5 zeigt eine Darstellung von Zustandsänderungen 500, 502, 504, 506 von Atomen eines Halbleitermaterials während eines Spannungsimpulses gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In verschiedenen Zuständen weisen die Atome verschiedene Energieniveaus 508. 510, 512, 514, 516 auf. Den Energieniveaus sind bestimmte Spannungspotenziale zugeordnet. Wenn die in Schritt des Anlegens angelegte Spannung größer als ein Potenzialunterschied zwischen zwei Energieniveaus ist, werden Ladungsträger freigesetzt und resultieren in einem Stromfluss 518, 520 im Halbleitermaterial. In 5 sind Bandbereiche des Stromflusses dargestellt.
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Mit anderen Worten zeigen die 3, 4 und 5 einen Charge Pumping Puls 300, den resultierenden Stromfluss 400; 518, 520 und die zugrunde liegenden Zustandsänderungen anhand des Bändermodells. Zu Beginn des Pulses 300 befindet sich der Transistor in der Akkumulation, d. h., das Ferminiveau liegt nahe am Valenzband, wie in 5 dargestellt ist. Die äußere Spannung steigt an, und das Ferminiveau verschiebt sich nach oben. Hierbei werden die Interface Traps bzw. Störstellen entsprechend geladen. Zu Beginn des Pulses 300 wird die Ladung noch schnell genug neutralisiert, schnell jedoch reicht die Kompensationsrate nicht mehr aus und der Halbleiter kommt in einen thermodynamisch instabilen Zustand.
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Sobald die Thresholdvoltage VT erreicht ist, bildet sich ein Inversionskanal aus und im Leitungsband steigt die Ladungsträgerkonzentration an. Die Traps (Störstellen) können nun vom Leitungsband her mit einer gegensätzlichen Ladung geladen werden.
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Bei der fallenden Flanke 304 beginnen die Traps/Störstellen, sich wieder zu entladen. Zunächst geht der Entladevorgang Richtung Leitungsband. Nachdem allerdings wieder die Thresholdspannung VT unterschritten wurde, erfolgt das Entladen in Richtung des Valenzbandes.
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Durch die entsprechenden Zeitkonstanten der Traps/Störstellen erfolgt das Laden und Entladen von unterschiedlichen Bändern. Durch die Kontaktierung der Bänder an unterschiedliche Elektroden (Source Drain Kontakt sowie Bulk Kontakt) fließt ein Strom 400; 518, 520 zwischen beiden Elektroden. Dieser Strom wird letztendlich als Chargepumping Strom 400 bezeichnet. Der Verlauf des fließenden Stromes ist in 4 gezeigt.
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Die entsprechenden Lade- und Entladeströme sind in 5 in einem Banddiagramm eingezeichnet. Gezeigt sind die entsprechenden Bandbereiche, die umgeladen werden und die den Charge Pumping Strom 400 verursachen.
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Bei jedem Puls fließt eine gewisse Menge Ladungsträger durch das Strommessgerät. Der Strom ist somit in der ersten Näherung proportional zu der angelegten Frequenz.
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Je nach verwendeter Pulsform kann der Bereich variiert werden, in dem die Störstellen umgeladen werden. Unterschiedliche Flankensteilheiten schränken den Energiebereich ein. Ebenso ist es möglich, z. B. drei verschiedene Spannungslevel zu verwenden, um die Auswahl der wirkenden Störstellen einzuschränken.
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6 zeigt ein Diagramm eines Kennfelds eines Halbleitersensors, das mit einer Vielzahl von verschiedenen Spannungsimpulsen gemäß mehrerer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erfasst wurde. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Halbleitersensor ein Siliziumkarbid Transistor. Auf der Ordinate des Diagramms ist ein erster Spannungswert U1 angetragen, wie er in 3 dargestellt ist. Auf der Abszisse ist ein zweiter Spannungswert U4 angetragen, wie er in 3 dargestellt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der erste Spannungswert U1 als Vlow in einem Bereich von –16,5 Volt bis 0,5 Volt angetragen, während der zweite Spannungswert U4 als Vhigh in einem Bereich von –6 Volt bis 11,5 Volt angetragen ist. Neben dem Diagramm ist eine Legende 602 dargestellt, die fünf verschiedene Stromwertebereiche des resultierenden Stromflusses (Bulk Strom) beim Wechsel von U1 nach U4 in logarithmischer Abstufung von 10–16 Ampere bis 1,5–8 Ampere darstellt. Ein erster Stromwertebereich weist Werte zwischen 1,5·10–8 Ampere bis 1,0·10–8 auf. Ein zweiter Stromwertebereich weist Werte zwischen 1,0·10–8 Ampere bis 1,0·10–10 auf. Ein dritter Stromwertebereich weist Werte zwischen 1,5·10–10 Ampere bis 1,0·10–12 auf. Ein vierter Stromwertebereich weist Werte zwischen 1,5·10–12 Ampere bis 1,0·10–14 auf. Ein fünfter Stromwertebereich weist Werte zwischen 1,5·10–14 Ampere bis 1,0·10–16 auf. Im Diagramm ist einem Wertepaar aus einem ersten Spannungswert U1 und einem zweiten Spannungswert U4 je ein Wert eines von der Einrichtung 104 gemessenen Stromwerts aus einem der genannten Bereiche zugeordnet und entsprechend der Legende dargestellt. Dabei ergeben sich Bereiche Flächen mit gleichen Stromwertebereichen. Innerhalb des Kennfelds ist ein Messbereich 600 des Sensors dargestellt.. Die Bereiche sind im Diagramm als Flächen mit verschiedener Darstellung eingetragen.
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Bei kleinen ersten Spannungswerten U1 und kleinen zweiten Spannungswerten U4 ist ein erster dreieckiger Bereich ohne Stromfluss dargestellt. Ebenso ist bei kleinen ersten Spannungswerten U1 und großen zweiten Spannungswerten ein zweiter dreieckiger Bereich ohne Stromfluss dargestellt. Bei großen ersten Spannungswerten U1 und großen zweiten Spannungswerten U4 ist ein dritter dreieckiger Bereich ohne Stromfluss dargestellt. Ebenso ist bei großen ersten Spannungswerten U1 und kleinen zweiten Spannungswerten U4 ein vierter dreieckiger Bereich ohne Stromfluss dargestellt. Der Messbereich 600 ist als Bereich dargestellt, in dem überwiegend ein Stromfluss erfasst worden ist. Der Messbereich 600 weist eine viereckige Form auf, deren gerade Kanten schräg entlang der Bereiche ohne Stromfluss ausgerichtet sind. In den Messbereich 600 ist eine Linie 604 eingetragen, die einen Einsatzpunkt 604 repräsentiert. Die Linie 604 ist parallel zu der Ordinate ausgerichtet und verläuft durch zwei gegenüberliegende Ecken des Messbereichs 600. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Einsatzpunkt 604 bei einem zweiten Spannungswert U4 von 3 Volt. Außerhalb des Messbereichs 600 findet kein Stromfluss statt. An einer oberen Spitze des Messbereichs 600, im Bereich großer erster Spannungswerte U1 und mittlerer zweiter Spannungswerte U4 ist ebenfalls kein Stromfluss eingetragen.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009045475 A1 [0002]
