DE102012213533A1

DE102012213533A1 - Halbleiterbauelement und Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Halbleitermaterials des Halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE102012213533A1
Application number: DE102012213533.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Noll
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2014-02-06
Also published as: JP2014032197A; FR2994267B1; CN103575787A; FR2994267A1; CN103575787B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement (108), das von zumindest einem Fluidbestandteil eines Fluids beaufschlagbar ist, wobei das Halbleiterbauelement (108) ein Substrat (110), eine Elektrode (114) und einen Anschluss (116) aufweist. Das Substrat (110) besteht aus einem Halbleitermaterial. Das Substrat (110) weist auf einer ersten Seite einen Substratkontakt (112) auf. Die Elektrode (114) ist auf einer zweiten Seite des Substrats (110) angeordnet. Die Elektrode (114) ist durch eine isolierende, chemosensitive Schicht (118) von dem Halbleitermaterial (110) elektrisch isoliert. Der Anschluss (116) zum Messen einer Spannung zwischen dem Anschluss (116) und dem Substratkontakt (112) ist seitlich versetzt zu der Elektrode (114) auf der zweiten Seite des Substrats (110) angeordnet. Das Halbleitermaterial (110) ist im Bereich des Anschlusses (116) leitfähig dotiert.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement, auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Halbleitermaterials eines Halbleiterbauelements, auf ein Messgerät sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
Bei einem chemisch sensitiven Transistor repräsentiert eine Kennlinie des Transistors einen Zusammenhang zwischen einer Konzentration eines Stoffes in einem zu messenden Medium und einem Stromfluss durch einen Kanal zwischen einem Sourcekontakt und einem Drainkontakt des Transistors.
Die DE 10 2009 045 475 A1 zeigt eine gassensitive Halbleitervorrichtung.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Halbleiterbauelement, ein Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Halbleitermaterials eines Halbleiterbauelements, ein Messgerät sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Ein Halbleitermaterial hat elektrische Eigenschaften, die über Beimengungen von Fremdatomen, mit mehr oder weniger Elektronen in der äußeren Schale als Atome des Halbleitermaterials, beeinflusst werden können. Die Fremdatome werden in das Kristallgitter des Halbleitermaterials bei der Herstellung eingelagert (Dotieren). Dadurch kann das Halbleitermaterial in unterschiedliche elektrische Leitfähigkeitszustände versetzt werden. Die Fremdatome stellen über ungebundene Elektronen oder Fehlstellen freie Ladungsträger bereit. Das Halbleitermaterial weist darüber hinaus auch Störstellen im Kristallgitter auf, an denen die Atome des Halbleitermaterials beispielsweise aufgrund von unterschiedlichen Ausrichtungen von Gitterbereichen ungebundene Elektronen als Ladungsträger ohne eingelagerte Fremdatome aufweisen. Die Eigenschaften des Halbleitermaterials an diesen Störstellen können durch Wechselwirkungen mit Bestandteilen eines anliegenden Fluids verändert werden. Beispielsweise können Bestandteile der beaufschlagten Gase in das Halbleitermaterial eindiffundieren und die Störstellen besetzen. Dadurch kann eine Leitfähigkeit des Halbleiters verändert werden.
Ladungsträger in dem Halbleitermaterial können unterschiedliche Energieniveaus aufweisen. Deshalb können unterschiedlich starke Kräfte nötig sein, die Ladungsträger zwischen den Energieniveaus zu bewegen. Durch ein elektrisches Feld können diese Kräfte aufgebracht werden und die bewegten Ladungsträger können einen Stromfluss im Halbleitermaterial hervorrufen. Je stärker das elektrische Feld ist, umso größere Sprünge zwischen Energieniveaus sind für die Ladungsträger möglich. Ein in das Halbleitermaterial eingelagerter Bestandteil beaufschlagten Gases kann die Energieniveaus aus einer Ausgangslage verändern. Damit kann ein stärkeres oder schwächeres elektrisches Feld erforderlich sein, um die Ladungsträger zum Sprung zwischen den Energieniveaus zu bewegen. Somit kann, wenn der Bestandteil in das Halbleitermaterial eingelagert ist, aus dem, durch das elektrische Feld resultierenden Stromfluss im Halbleitermaterial auf das Vorhandensein des Bestandteils geschlossen werden. Aufgrund eines Gleichgewichts zwischen einer Menge des Bestandteils im Halbleitermaterial und einer Menge des Bestandteils im Fluid kann aus dem Stromfluss auch auf eine Konzentration des Bestandteils im Fluid geschlossen werden.
Das Halbleitermaterial kann einem elektrischen Feld zwischen zwei Elektroden ausgesetzt werden. Zwischen einem ersten Anschluss des Halbleitermaterials und einem zweiten Anschluss des Halbleitermaterials kann ein Stromfluss erfasst werden. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Wirkungszusammenhang zwischen dem elektrischen Feld und dem Stromfluss besteht.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Halbleiterbauelement, das von zumindest einem Fluidbestandteil eines Fluids beaufschlagbar ist, wobei das Halbleiterbauelement die folgenden Merkmale aufweist:
ein Substrat aus einem Halbleitermaterial, wobei das Substrat auf einer ersten Seite einen Substratkontakt aufweist;
eine Elektrode, die auf einer zweiten Seite des Substrats angeordnet ist und durch eine isolierende, chemosensitive Schicht von dem Halbleitermaterial elektrisch isoliert ist;
einen Anschluss zum Messen einer Spannung zwischen dem Anschluss und dem Substratkontakt wobei der Anschluss seitlich versetzt zu der Elektrode auf der zweiten Seite des Substrats angeordnet ist, wobei das Halbleitermaterial im Bereich des Anschlusses leitfähig dotiert ist.
Ein Substrat kann eine scheibenförmige Gestalt aufweisen. Eine erste Seite eines Substrats kann eine Bodenfläche oder eine Montagefläche des Halbleiterbauelements sein. Eine zweite Seite kann eine Sensorfläche des Halbleiterbauelements sein. Ein Substratkontakt kann eine Elektrode sein, die direkt mit dem Substrat verbunden ist. Ein Anschluss kann ein Teilbereich des Substrats sein. Das Halbleitermaterial kann im Bereich des Anschlusses beispielsweise mit einem fremden Material dotiert sein.
Der Anschluss kann ringförmig um die Elektrode ausgebildet sein. Der zweite Kontakt kann geschlossen oder offen ringförmig ausgebildet sein. Bei einer offenen Ausführung kann eine Einwirkung von Wirbelströmen verhindert werden.
Der Substratkontakt kann auf einer Hauptoberfläche des Substrats angeordnet sein, die einer Hauptoberfläche des Substrats gegenüberliegt, auf der der Anschluss angeordnet ist.
Die Elektrode und/oder die isolierende Schicht kann zumindest teilweise durchlässig für den zumindest einen Fluidbestandteil ausgeführt sein. Unter durchlässig kann beispielsweise porös, durchbrochen verstanden werden. Die Elektrode und/oder die isolierende Schicht kann auch fluidphil, oder fluidskopisch sein. Beispielsweise kann die Elektrode und/oder die isolierende Schicht den Fluidbestandteil anziehen und/oder besonders gut von dem Fluidbestandteil benetzt werden. Ebenso kann die Elektrode und/oder die isolierende Schicht sorptive Eigenschaften gegenüber dem Fluidbestandteil aufweisen.
Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Halbleitermaterials eines Halbleiterbauteils gemäß dem hier vorgestellten Ansatz, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Anlegen einer Spannung zwischen der Elektrode und einem Referenzpotenzial; Erfassen eines Stroms zwischen dem Anschluss und dem Substratkontakt; und Ermitteln eines Zustands des Halbleitermaterials unter Verwendung der Spannung und des Stroms.
Das Halbleiterbauteil kann von zumindest einem Fluidbestandteil eines Fluids beaufschlagbar sein. Eine Spannung zwischen der Elektrode und dem Substratkontakt kann ein elektrisches Feld hervorrufen, das Aktivierungsenergie zum Verändern eines Energieniveaus von Ladungsträgern in dem Halbleitermaterial bereitstellen kann. Unter einem Zustand eines Halbleitermaterials kann ein Zustand aufgrund einer Wechselwirkung einer Substanz mit Atomen des Halbleitermaterials verstanden werden, bei der zumindest eine Eigenschaft des Halbleitermaterials gegenüber einem Ausgangszustand verändert ist. Ein solcher Zustand kann beispielsweise eine bestimmte Sättigung des Halbleitermaterials, insbesondere des Substrats mit einem bestimmten Stoff, der beispielsweise aus dem Fluid durch die Elektrode 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. Die Substanz kann Bestandteil eines Fluids sein, das in Kontakt zu dem Halbleiterbauelement bzw. dem Halbleitermaterial steht. Der Zustand kann unter Verwendung einer Verarbeitungsvorschrift ermittelt werden. Die Verarbeitungsvorschrift kann eine Vorschrift sein, bei der die Größen des Stroms und der Spannung, gegebenenfalls weitere Größen miteinander verknüpft werden, um eine Beurteilung des Zustandes des Halbeitermaterials vorzunehmen.
Die Spannung kann als ein Spannungsimpuls angelegt werden, der eine ansteigende Flanke mit einem vorgegebenen zeitlichen Anstieg von einem Startwert auf einen Zielwert aufweist. Alternativ oder ergänzend kann der Spannungsimpuls eine fallende Flanke mit einem vorgegebenen zeitlichen Abfall von dem Zielwert auf den Startwert aufweisen. Ein Startwert und ein Zielwert können Spannungswerte sein. Durch ein kontrolliertes Ansteigen der Spannung bzw. durch ein kontrolliertes Abfallen der Spannung kann der Strom erfasst werden, wenn das elektrische Feld zwischen der Elektrode und dem Substratkontakt gerade stark genug ist, um die Aktivierungsenergie, die zum Überwinden der Bandlücke notwendig ist bereitzustellen. Dadurch kann der Spannungswert zu dem Stromwert korreliert werden. Die Spannungswerte können positiv und/oder negativ sein. Die Flanken können je einen Nulldurchgang aufweisen.
Die Spannung kann eine vorgegebene erste Verweildauer auf dem Startwert aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann die Spannung eine vorgegebene zweite Verweildauer auf dem Zielwert aufweisen. Durch vorgegebene Verweildauern an den Extremwerten können Effekte, die bei steigender Flanke erfassbar sind von Effekten, die bei fallender Flanke erfassbar sind getrennt werden. Die Flanken können auch Plateaus aufweisen, um in kleineren Spannungsschritten den Zustand des Halbleitermaterials zu ermitteln.
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.
Der weitere Spannungsimpuls kann einen weiteren Startwert und/oder einen weiteren Zielwert aufweisen. Der weitere Spannungsimpuls kann eine weitere erste Verweildauer und/oder eine weitere zweite Verweildauer aufweisen. Durch unterschiedliche minimale und/oder maximale Spannungswerte können unterschiedliche Eigenschaften bzw. Zustände des Halbleitermaterials ermittelt werden. Wenn eine Spannungsdifferenz zwischen einem Zielwert und einem Startwert geringer ist, als notwendig, um bei dem momentanen Zustand des Halbleitermaterials Ladungsträger vom Valenzband in das Leitungsband zu bewegen, kann festgestellt werden, dass die Bandlücke momentan größer ist, als die Spannungsdifferenz zwischen dem Startwert und dem Zielwert.
Der weitere Spannungsimpuls kann gegenüber dem Spannungsimpuls eine geänderte Pulsform aufweisen. Beispielsweise können die Flanken unterschiedliche Gestalt aufweisen. Beispielsweise kann eine Flanke linear verlaufen und eine Flanke sinusförmig verzerrt 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.
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.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Messgerät, das ausgebildet ist, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Messgeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einem Messgerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Messgerät kann 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.
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.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Messgeräts mit einem hieran angeschlossenen Halbleiterbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen eines Zustands eines Halbleitermaterials eines Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ein Diagramm eines Spannungs-Zeit-Verlaufs eines Spannungsimpulses gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 ein Diagramm eines Strom-Zeit-Verlaufs eines erfassten Stromflusses gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine Darstellung von Zustandsänderungen von Atomen eines Halbleitermaterials während eines Spannungsimpulses gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
6 eine Darstellung eines Kennfelds eines Halbleiterbauelements, das unter Beaufschlagung mit einer Vielzahl von verschiedenen Spannungsimpulsen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung erfasst wurde.
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.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Messgeräts 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem hieran angeschlossenen Halbleiterbauelement 108 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, das Halbleiterbauelement 108 zu betreiben und zu testen. Das Halbleiterbauelement 108 weist ein Substrat 110 mit einem Substratkontakt 112 (Bulk-Kontakt), eine Elektrode 114 und einen Anschluss 116 auf. Das Substrat 110 besteht aus einem Halbleitermaterial. Das Halbleitermaterial 110 ist bei einem Gas-Fluss von zumindest einem Gasbestandteil des Gases beaufschlagbar. Das Substrat 110 weist auf einer ersten Seite den Substratkontakt 112 auf. Die Elektrode 114 ist auf einer zweiten Seite des Substrats 110 angeordnet, die der ersten Seite gegenüberliegt. Die Elektrode 114 ist durch eine isolierende Schicht 118 von dem Halbleitermaterial elektrisch isoliert. Die Elektrode 114 und/oder die isolierende Schicht 118 kann chemisch sensitiv sein. Die Elektrode 114 ist über einen Kontakt kontaktierbar. Der Anschluss 116 ist seitlich versetzt zu der Elektrode 114 auf der zweiten Seite des Substrats 110 angeordnet. Das Halbleitermaterial ist im Bereich des Anschlusses 116 hoch dotiert und weist damit gute Leitungseigenschaften auf. Der Anschluss 116 kann ringförmig um die Elektrode 114 angeordnet sein. Die Einrichtung zum Anlegen 102 ist mit einem Massekontakt 120 und der Elektrode 114 verbunden. Der Massekontakt 120 weist ein Referenzpotenzial auf. Die Einrichtung zum Anlegen 102 ist dazu ausgebildet, eine Spannung zwischen dem der Elektrode 114 und dem Massekontakt 120 anzulegen. Die Einrichtung zum Erfassen 104 ist mit der Substratelektrode 112 und dem Anschluss 116 verbunden. Die Einrichtung zum Erfassen 104 ist dazu ausgebildet, einen Strom als Mess-Information zwischen dem Anschluss 116 und dem Substratkontakt 112 zu erfassen. Die Verbindungsleitung zwischen dem Anschluss 116 und der Einrichtung zum Erfassen 104 ist mit dem Massekontakt 120 verbunden. Die Einrichtung zum Ermitteln 106 ist mit der Einrichtung zum Anlegen 102 und der Einrichtung zum Ermitteln 104 verbunden. Die Einrichtung zum Ermitteln 106 ist dazu ausgebildet, unter Verwendung der Spannung und des Stroms den Zustand des Halbleitermaterials 110 zu ermitteln. Die Einrichtung zum Anlegen 102 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine erste Spannungsquelle 122 und eine zweite Spannungsquelle 124 auf. Die erste Spannungsquelle 122 ist dazu ausgebildet, eine niedrige Spannung (low Spannung) als Startwert der Spannung bereitzustellen. Die zweite Spannungsquelle 124 ist dazu ausgebildet, eine hohe Spannung (high Spannung) als Zielwert bereitzustellen. Durch einen Schalter 126 in der Verbindung zu der Elektrode 114 kann zwischen den Spannungsquellen 122, 124 gewechselt werden. Die Einrichtung zum Anlegen 102 stellt mit der Spannung einen Messparameter bereit.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Bestimmen eines Zustands eines Materialbestandteils des Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie sie in 1 dargestellt ist. 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, wie es in 1 dargestellt ist, durchgeführt werden. Im Schritt 202 des Anlegens wird eine Spannung zwischen einer isolierten Elektrode des Halbleiterbauelements und einem Massekontakt des Halbleiterbauelements angelegt. Im Schritt 204 des Erfassens wird ein Strom zwischen einem Anschluss auf einer Elektrodenseite des Halbleiterbauelements und einem Substratkontakt auf einer elektrodenabgewandten Seite des Halbleiterbauelements erfasst. Im Schritt 206 des Ermittelns wird der Zustand unter Verwendung der Spannung und des Stroms ermittelt.
Mit anderen Worten zeigt 2 ein Verfahren 200 zum Auswerten eines chemisch sensitiven „Transistors“ ohne aktive Bestromung, wobei bei dem, als FET ausgestalteten „Transistor“ der Sourceanschluss mit dem Drainanschluss elektrisch leitfähig verbunden ist, sodass kein spannungsgesteuerter Kanal unter dem Gate ausgebildet wird. Das Verfahren 200 kann auch an anderen chemischen Gassensoren auf Halbleiterbasis verwendet werden. Ein Charge Pumping Verfahren 200 gemäß dem hier vorgestellten Ansatz ist ein Charakterisierungsverfahren zur Beurteilung der Halbleiter-Isolator-Grenzfläche. Dieses Verfahren kann zur Prozesskontrolle und Prozessbeurteilung bei der Herstellung eines Halbleiterbautelements, wie dem oben genannten „Transistor“ verwendet werden. Ebenfalls kann das Verfahren 200 am fertigen und getesteten Produkt während dessen Betriebs verwendet werden.
Eine Gasbeaufschlagung bei einem chemisch sensitiven Transistor verändert die physikalischen Eigenschaften des Gates. Normalerweise wird im fertigen Produkt die Übertragungskennlinie des Transistors zur Beurteilung der Veränderung durch die Gasbeaufschlagung verwendet. Die Gasbeaufschlagung verschiebt den Einsatzpunkt des Transistors. Für die Messung der Übertragungskennlinie ist eine Bestromung des Transistors mit einem Stromfluss zwischen Source und Drain erforderlich. Das hier vorgestellte Verfahren verzichtet auf die Bestromung des „Transistors“, da durch den Kurzschluss zwischen Source und Drain kein Stromfluss im „Kanal“ unter der Gate-Elektrode bewirkt wird.
Zum Messen des Stromflusses wird vorliegend ein getrennter Base/Bulk Kontakt 112 mit angeschlossener Strommessung 104 benötigt. Der Source Anschluss kann mit dem Gate-Anschluss kurzgeschlossen werden. Die bei dem Verfahren 200 verwendeten Spannungslevel zwischen dem Referenzpotenzial 120 und der Elektrode 114 können aufgetragen werden. Der hier vorgestellte Ansatz kann bei allen halbleiterbasierten Sensoren mit Transistor, speziell bei halbleiterbasierten Gassensoren mit Transistor, zum Einsatz kommen.
3 zeigt ein Diagramm eines Spannungs-Zeit-Verlaufs eines Spannungsimpulses 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, mit dem die Elektrode 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 ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt eines Halbleiterbauelements zum Bestimmen eines Zustands eines Materialbestandteils des Halbleiterbauelements, wie sie in 1 gezeigt ist angetragen. Der Spannungsimpuls 300 beginnt zu einem Zeitpunkt t1 bei einem ersten Spannungswert als Startwert U1. Der Spannungsimpuls 300 weist eine steigende Flanke 302 mit einer vorgegebenen Steigung bzw. einem zeitlichen Anstieg auf. Zu einem Zeitpunkt t2 weist der Spannungsimpuls 300 eine Spannung U2 auf und überschreitet eine Flachbandspannung Vfb. Die Flachbandspannung sei definiert als Spannung, bei der keine Bandverbiegungen in dem Halbleitermaterial vorliegen. Zu einem Zeitpunkt t3 weist der Spannungsimpuls 300 eine Spannung U3 auf und überschreitet eine Tresholdspannung VT. Die Thresholdspannung sei definiert, als die minimale von außen angelegte Spannung die für eine Umladung ausreichende Ladungsträgerkonzentration im Halbleitermaterial induziert. Zu einem Zeitpunkt t4 weist der Spannungsimpuls 300 einen zweiten Spannungswert als Zielwert 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 erneut 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 Elektrode (am Gate) angelegten Spannung.
Beispielsweise kann der erste Spannungswert U1 minus vier Volt betragen. Die Flachbandspannung Vfb kann minus zwei Volt betragen. Die Thresholdspannung 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.
4 zeigt ein Diagramm eines Strom-Zeit-Verlaufs eines erfassten Stromflusses 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Auf der Abszisse des Diagramms ist die 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 Anschluss und einem Substratkontakt eines Halbleiterbauelements, wie es 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.
Beispielsweise kann der Stromwert I1 null Ampere sein. Der Stromwert I2 kann minus ein Ampere sein. Der Stromwert I3 kann zwei Ampere sein.
5 zeigt eine Darstellung von Ladungs- und Entladevorgängen in Energieniveaus eines Halbleitermaterials während eines Spannungsimpulses gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In verschiedenen Zuständen weist das Halbleitermaterial verschiedene Energieniveaus zwischen dem Energiebereich 510 und 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. 502 zeig einen Ladevorgang aus dem Leitungsband in die Energiebereiche. 502 zeigt ein partielles Entladen der Energiebereiche in das Leitungsband zwischen dem Energieniveau 510 und 512. 506 zeigt einen Ladungsvorgang mit positiven Ladungen aus dem Valenzband in die Energiebereiche 512 und 514. 500 zeigt ein partielles Entladen der Energiebereiche zwischen 514 und 512 in das Valenzband des Halbleitermaterials.
Bei jedem Charge Pumping Durchlauf wird ein Spannungsimpuls 300 wie in 3 gezeigt angelegt.
Sobald die Thresholdvoltage VT erreicht ist, bildet sich ein Inversionskanal aus und im Leitungsband steigt die Ladungsträgerkonzentration an. Vorhandene Störstellen können nun vom Leitungsband her geladen werden.
Bei der schnell fallenden Flanke erfolgt kein Entladen mehr in das Leitungsband, das das Entladen erfolgt in Richtung des Valenzbandes.
Durch die entsprechenden Zeitkonstanten der Traps erfolgt das Laden und Entladen von unterschiedlichen Bändern. Durch die Kontaktierung der Bänder an unterschiedliche Elektroden (SourceDrain Kontakt sowie Bulk Kontakt) fließt ein Strom zwischen beiden Elektroden. Dieser Strom wird letztendlich als Chargepumping Strom 400 bezeichnet.
Wenn bei dem Puls die Thresholdspannung VT oder die Flachbandspannung VFb nicht erreicht wurde, dann fließt kein Chargepumping Strom.
Die 3, 4 und 5 verdeutlichen den Grundgedanken des hier vorgestellten Ansatzes. Ein „Transistor“ mit kurzgeschlossenem Source- und Drainanschluss wird in unterschiedliche Bereiche der Akkumulation und Inversion gepulst, um den Einsatzpunkt des Bauteils auszumessen. Es erfolgt keine aktive Bestromung des Bauteils, somit wird das Bauteil durch die Messung thermisch nicht verändert und eine Wärmebelastung als „Stress“ auf das Bauteil ist vermindert.
Die Bestimmung eines Einsatzpunktes des Bauteils erfolgt durch das Messen eines Rekombinationsstromes 400, der nur einsetzt, wenn das Bauteil komplett in Akkumulation und Inversion gefahren wurde. Dies hat zudem den Vorteil, dass der Stromverbrauch des Bauteils 108 sinkt.
Ebenso kann die Ansteuerung symmetrisch zu dem Flachband erfolgen, sodass eine Veränderung durch mobile Ladungsträger entgegengewirkt wird. Mobile Ladungsträger sind beispielsweise Alkali Ionen, die sich in dem über dem Halbleiter befindlichen Oxid befinden. Diese gehen keine stabile chemische Bindung mit dem Oxid ein, sondern sind aufgrund ihrer Größe ab einer bestimmten Temperatur frei beweglich. Durch die Ionisierung folgen diese einem durch eine äußere angelegte Spannung induzierten Feld. Bei der von außen angelegten Flachbandspannung ist das induzierte Feld im Oxid gleich Null, eine Spannung über bzw unter dem Flachband induziert ein negatives bzw positives Feld, welches eine Ionenbewegung verursacht. Wird die äußere Spannung symmetrisch um die Flachbandspannung oszilliert, werden die Ionen gleich schnell und mit gleichen Konzentrationen an die jeweiligen Grenzflächen des Oxides verschoben. Somit kann der Einfluss dieser Ladungen auf das Gesamtansteuerverhalten minimiert werden.
Das daraus resultierende Kennlinienfeld ist in 6 gezeigt. Bei jedem Puls fließt eine gewisse Menge Ladungsträger durch das Strommessgerät 104. Der Strom ist somit in der ersten Näherung proportional zu der angelegten Frequenz.
Bei der hier aufgezeigten Variante wird nur überprüft, ob ein Chargepumping Strom 400 fließt oder nicht. Ebenso werden die Spannungslevels variiert, um den Einsatzpunkt des Transistors zu bestimmen.
6 zeigt eine Darstellung 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 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 Startwert V_low in einem Bereich von –16,5 Volt bis 0,5 Volt angetragen, während der zweite Spannungswert U4 als Zielwert V_high in einem Bereich von –6 Volt bis 11,5 Volt angetragen ist. Die Spannungswerte U1 und U4 können beispielsweise von den Spannungsquellen 122 und 124 in 1 bereitgestellt werden. Neben dem Diagramm ist eine Legende gezeigt, die fünf verschiedene Stromwertebereiche des resultierenden Stromflusses (Bulk Strom) beim Wechsel von U1 nach U4 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 Flächen mit gleichen Stromwertebereichen. Innerhalb des Kennfelds ist ein Messbereich 600 des Sensors dargestellt. Der Messbereich 600 weist eine viereckige Form auf, deren gerade Kanten schräg ausgerichtet sind. In den Messbereich 600 ist eine Linie 602 eingetragen, die einen Einsatzpunkt 602 des Halbleiterbauteils aus 1 repräsentiert. Die Linie 602 ist parallel zu der Ordinate ausgerichtet und verläuft durch zwei gegenüberliegende Ecken des Messbereichs 600. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Einsatzpunkt 602 bei einem zweiten Spannungswert U4 von 3 Volt. Außerhalb des Messbereichs 600 findet kein Stromfluss statt.
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.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009045475 A1 [0003]

Claims

Halbleiterbauelement (108), das von zumindest einem Fluidbestandteil eines Fluids beaufschlagbar ist, wobei das Halbleiterbauelement (108) die folgenden Merkmale aufweist: ein Substrat (110) aus einem Halbleitermaterial (110), wobei das Substrat (110) auf einer ersten Seite einen Substratkontakt (112) aufweist; eine Elektrode (114), die auf einer zweiten Seite des Substrats (110) angeordnet ist und durch eine isolierende, chemosensitive Schicht (118) von dem Halbleitermaterial (110) elektrisch isoliert ist; einen Anschluss (116) zum Messen einer Spannung zwischen dem Anschluss (116) und dem Substratkontakt (112), wobei der Anschluss (116) seitlich versetzt zu der Elektrode (114) auf der zweiten Seite des Substrats (110) angeordnet ist, wobei das Halbleitermaterial (110) im Bereich des Anschlusses (116) leitfähig dotiert ist.
Halbleiterbauelement (108) gemäß Anspruch 1, bei dem der Anschluss (116) ringförmig um die Elektrode (114) ausgebildet ist.
Halbleiterbauelement (108) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Substratkontakt (112) auf einer ersten Hauptoberfläche des Substrats (110) angeordnet ist, und auf einer der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche des Substrats (110) der Anschluss (116) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement (108) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Elektrode (114) und/oder die isolierende Schicht (118) zumindest teilweise durchlässig für den zumindest einen Fluidbestandteil ist.
Verfahren (200) zum Bestimmen eines Zustands eines Halbleitermaterials (110) eines Halbleiterbauelements (108) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verfahren (200) die folgenden Schritte aufweist: Anlegen (202) einer Spannung (300) zwischen der Elektrode (114) und einem Referenzpotenzial (120); Erfassen (204) eines Stroms (400) zwischen dem Anschluss (116) und dem Substratkontakt (112); und Ermitteln (206) eines Zustands des Halbleitermaterials (110) unter Verwendung der Spannung (300) und des Stroms (400).
Verfahren (200) gemäß Anspruch 5, bei dem im Schritt des Anlegens (202) die Spannung (300) als ein Spannungsimpuls angelegt wird, der eine ansteigende Flanke (302) mit einem vorgegebenen zeitlichen Anstieg von einem Startwert (U1) auf einen Zielwert (U4) aufweist und/oder eine fallende Flanke (304) mit einem vorgegebenen zeitlichen Abfall von dem Zielwert (U4) auf den Startwert (U1) aufweist.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Anlegens (202) der Spannungsimpuls (300) eine vorgegebene erste Verweildauer auf dem Startwert (U1) und/oder eine vorgegebene zweite Verweildauer auf dem Zielwert (U4) aufweist.
Verfahren (200) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 7, bei dem im Schritt des Anlegens (202) zumindest ein weiterer Spannungsimpuls (300) angelegt wird.
Verfahren (200) gemäß Anspruch 8, bei dem im Schritt des Anlegens (202) der weitere Spannungsimpuls (300) einen weiteren Startwert und/oder einen weiteren Zielwert aufweist, und/oder der weitere Spannungsimpuls (300) eine weitere erste Verweildauer auf dem weiteren Startwert und/oder eine weitere zweite Verweildauer auf dem weiteren Zielwert aufweist.
Verfahren (200) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem im Schritt des Anlegens (202) der weitere Spannungsimpuls (300) eine gegenüber dem Spannungsimpuls (300) eine geänderte Pulsform aufweist.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Erfassens (204) ein zeitlicher Verlauf des Stroms (400) erfasst wird, wobei der Verlauf (400) zumindest über eine Dauer des Anlegens der Spannung (300) erfasst wird.
Messgerät (100), das ausgebildet ist, um die Schritte eines Verfahrens (200) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 11 in entsprechend ausgebildeten Einrichtungen durchzuführen.
Computer-Programmprodukt mit Programmcode zum Ansteuern oder Ausführen der Schritte des Verfahrens (200) nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wenn das Programmprodukt auf einer Vorrichtung oder einem Messgerät (100) ausgeführt wird.