DE102017206279A1 - Verfahren zum Fertigen einer Kristallkörpereinheit für eine Sensorvorrichtung, Verfahren zum Herstellen einer Sensorvorrichtung, Verfahren zum Erfassen einer Messgröße, Kristallkörpereinheit und Sensorvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen einer Kristallkörpereinheit (810) für eine Sensorvorrichtung (800). Das Verfahren weist einen Schritt des Erzeugens zumindest einer Fehlstellenschicht (812) mit einer Mehrzahl von Fehlstellen in einem Kristallkörper (100) auf. Auch weist das Verfahren einen Schritt des Herstellens einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Kristallkörper (100) und einer ersten Elektrode (816) auf. Dabei ist die erste Elektrode (816) an einem Trägersubstrat (814) ausgeformt. Das Verfahren weist ferner einen Schritt des Anordnens einer zweiten Elektrode (818) an dem Kristallkörper (100) auf einer von der ersten Elektrode (816) abgewandten Seite des Kristallkörpers (100) auf. Die zumindest eine Fehlstellenschicht (812) ist zwischen der ersten Elektrode (816) und der zweiten Elektrode (818) angeordnet.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
  • Beispielsweise können Stickstoff-Fehlstellen in einem Diamantgitter, auch als NV-Zentren (NV = Nitrogen Vacancy) bezeichnet, auf dem Gebiet der Sensorik angewandt werden. Durch Anregung der NV-Zentren mit Licht und Mikrowellenstrahlung kann eine magnetfeldabhängige Fluoreszenz derselben beobachtet werden.
  • Die DE 37 42 878 A1 beschreibt einen optischen Magnetfeldsensor, in dem ein Kristall als magnetempfindliches optisches Bauteil verwendet wird und die WO 2016/066532 A1 beschreibt ein System zur Analyse eines Mikrowellensignals mittels elektrischer Anregung.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz Verfahren, eine Kristallkörpereinheit sowie eine Sensorvorrichtung gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
  • Gemäß Ausführungsformen können unter Ausnutzung von Kristallkörper-Fehlstellen, Kristallgitter-Fehlstellen bzw. Farbzentren in Kristall, beispielsweise Siliziumcarbid, Diamant oder Bornitrid, insbesondere Magnetfelder über die Zeeman-Aufspaltung quantisierter Energieniveaus solcher atomaren Defekte präzise gemessen werden und entsprechende Magnetfeldsensoren vorteilhaft hergestellt werden. Hierbei können beispielsweise Eigenschaften von Kristallgitter-Fehlstellen bzw. kombinierten Stickstoff-Kohlenstofffehlstellen-Defektzentren in Diamant (Nitrogen-Vacancies in Diamond; sogenannten NV-Zentren) für hochempfindliche Magnetfeldsensorik genutzt werden. Insbesondere können dabei zum Auslesen benötigte Übergänge von Elektronen aus dem Grundzustand über eine elektrische Anregung realisiert werden. Hierfür genutzt werden können entweder pn-Übergänge in dem Kristallkörper, wobei die Fehlstellen bzw. Farbzentren innerhalb des pn-Übergangs angeordnet sein können, oder Tunnelstrukturen, in denen eine Besetzung von Energieniveaus über Tunnelströme durch den Kristallkörper bzw. Wirtskristall (SiC, Bornitrid oder Diamant) erreicht werden kann.
  • Anders ausgedrückt kann beispielsweise im Zusammenhang mit einer Magnetfeldsensitivität von Fehlstellen bzw. Farbzentren in Kristall eine optische Anregung durch eine elektrisch induzierte Anregung ersetzt werden. Dabei können, ähnlich einem Prozess der optischen Anregung, insbesondere Besetzungsunterschiede zwischen einem Grundzustand und auf ein Magnetfeld reagierenden, angeregten Zuständen durch eine elektrische Anregung realisiert werden.
  • Vorteilhafterweise kann gemäß Ausführungsformen insbesondere ein Sensitivitätsgewinn bei vereinfachtem Aufbau erzielt werden. Da anstelle einer optischen Anregung der Fehlstellen bzw. Farbzentren eine elektrische Anregung erfolgt, können sowohl eine Lichtquelle als auch ein optischer Filter zur Filterung des Anregungslichts eingespart werden. Weiterhin kann beispielsweise aufgrund des Wegfalls der Lichtquelle eine Reduzierung der Leistungsaufnahme des Sensorsystems bzw. der Sensorvorrichtung im Vergleich zum optischen Anregungsverfahren erreicht werden. Auch kann eine genaue und berührungslose Messung bzw. Erfassung von Messgrößen, insbesondere von Magnetfeldern, ermöglicht werden. Ein weiterer Vorteil der vorgestellten Magnetsensortechnologie besteht unter anderem darin, dass auch bei starken Magnetfeldern, beispielsweise bis in den Tesla-Bereich, noch kleinste Änderungen im Pico-Tesla-Bereich detektiert werden können, was einen zuverlässigen und exakten Betrieb auch bei der einer Anwesenheit von hohen Störfeldern ermöglicht.
  • Hierbei können somit insbesondere Eigenschaften von Farbzentren in Diamant (Nitrogen-Vacancies in Diamond, NV-Zentren) oder SiV-Zentren in Siliciumcarbid (SiC) (Silicon-Vacancy-Zentren) oder NV-Zentren in Bornitrid für Sensorikzwecke genutzt werden. Solche Fehlstellen bzw. Farbzentren können empfindlich insbesondere auf äußere Magnetfelder reagieren. Es lassen sich mit NV-Zentren in Diamant beispielsweise Magnetfelder B mit einer Auflösung von 1 pT / √ Hz detektieren, was eine Verbesserung der Auflösung gegenüber herkömmlichen Sensoren für Verbraucheranwendungen bedeuten kann. Im Gegensatz zu einer Messung von Magnetfeldern über eine kombinierte Anregung von Fehlstellen bzw. Farbzentren mit Licht und Mikrowellen kann gemäß Ausführungsformen insbesondere ein Systemaufbau eines farbzentrenbasierten Magnetfeldsensors vereinfacht werden. Durch eine elektrische Anregung fluoreszierender Übergänge in solchen Fehlstellen bzw. Farbzentren können Kosten, Leistungsverbrauch und Baugröße minimiert werden, sodass eine Verwendung einer solchen Sensorvorrichtung auch in Anwendungen der Verbraucherelektronik beispielsweise (Smartphones, Smartwatches, Datenbrillen und dergleichen) ermöglicht werden kann, in denen Leistungsverbrauch und Baugröße von Sensorvorrichtungen entscheidende Bedeutung haben.
  • Es wird ein Verfahren zum Fertigen einer Kristallkörpereinheit für eine Sensorvorrichtung vorgestellt, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:
    • Erzeugen zumindest einer Fehlstellenschicht mit einer Mehrzahl von Fehlstellen in einem Kristallkörper;
    • Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Kristallkörper und einer ersten Elektrode, wobei die erste Elektrode an einem Trägersubstrat ausgeformt ist; und
    • Anordnen einer zweiten Elektrode an dem Kristallkörper auf einer von der ersten Elektrode abgewandten Seite des Kristallkörpers, wobei die zumindest eine Fehlstellenschicht zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist.
  • Die Sensorvorrichtung kann ausgebildet sein, um eine Messgröße zu erfassen. Die Messgröße kann beispielsweise ein externes Magnetfeld, ein elektrischer Strom, eine Temperatur, eine mechanische Spannung, ein Druck und zusätzlich oder alternativ eine andere Messgröße sein. Der Kristallkörper kann beispielsweise Diamant, Siliziumcarbid (SiC) oder hexagonales Bornitrid (h-BN) sein. Eine Fehlstelle kann beispielsweise eine Stickstoff-Fehlstelle in einem Diamant, eine Silizium-Fehlstelle in Siliziumcarbid oder ein Fehlstellen-Farbzentrum in hexagonalem Bornitrid sein. Anders ausgedrückt kann eine Fehlstelle eine Gitterfehlstelle bzw. Fehlstelle in einer Gitterstruktur des Kristallkörpers sein. Im Schritt des Herstellens kann die stoffschlüssige Verbindung insbesondere durch Waferbonden oder Kleben hergestellt werden. Im Schritt des Erzeugens kann die zumindest eine Fehlstellenschicht durch Dotieren des Kristallkörpers erzeugt werden. Hierbei kann insbesondere eine Delta-Dotierung durchgeführt werden. Das Trägersubstrats kann als ein metallisiertes Trägersubstrats ausgeführt sein, wobei ein metallisierter Abschnitt die erste Elektrode repräsentieren kann. Der Kristallkörper kann an einer ersten Hauptoberfläche mit der ersten Elektrode verbunden sein und an einer von der ersten Hauptoberfläche abgewandten, zweiten auf Fläche mit der zweiten Elektrode sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Anordnens an dem Kristallkörper eine zweite Elektrode angeordnet werden, deren Material ein bezüglich der Bandstruktur des Kristallkörpers vordefiniert positioniertes Fermi-Niveau aufweist. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Herstellens eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kristallkörper und einer ersten Elektrode hergestellt werden, deren Material ein bezüglich der Bandstruktur des Kristallkörpers vordefiniert positioniertes Fermi-Niveau aufweist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Besetzung fluoreszierender Energieniveaus gezielt über eine Bandverbiegung von Kristallkörper-Tunnelbarrieren erfolgen kann. So kann hinsichtlich des Fluoreszenzsignals auch ein Kontrast zwischen strahlenden und nichtstrahlenden Übergängen erhöht werden.
  • Auch können im Schritt des Erzeugens zwei Fehlstellenschichten mit einer Mehrzahl von Fehlstellen in dem Kristallkörper erzeugt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein Übergang aus Grundzuständen einer ersten Fehlstellenschicht in einen angeregten Zustand einer zweiten Fehlstellenschicht ermöglicht wird, ähnlich einem sogenannten Band-zu-Band-Tunneln in herkömmlichen Halbleitern.
  • Ferner kann im Schritt des Erzeugens die zumindest eine Fehlstellenschicht mit mindestens einen vordefinierten Abstand zwischen der zumindest einen Fehlstellenschicht und einer Oberfläche des Kristallkörpers und zusätzlich oder alternativ zwischen Fehlstellenschichten erzeugt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein erwünschter Tunneleffekt sowie eine effektive Besetzung von Energiezuständen auf genau definierte Weise über einen eingestellten Tunnelstrom regulierbar ist.
  • Es kann im Schritt des Anordnens eine mindestens partiell transparente Elektrode als die zweite Elektrode an dem Kristallkörper angeordnet werden. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Herstellens eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kristallkörper und einer mindestens partiell transparent ausgeführten ersten Elektrode hergestellt werden. Hierbei kann die erste Elektrode und zusätzlich oder alternativ die zweite Elektrode als eine Metallschicht oder eine Schicht aus einem transparenten, elektrisch leitfähigen Oxid (TCO, transparent conductive oxide) ausgeführt sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Auswertung des Fluoreszenzsignals erleichtert wird.
  • Zudem kann das Verfahren einen Schritt des Bearbeitens des Trägersubstrats und zusätzlich oder alternativ des Kristallkörpers aufweisen. Hierbei kann im Schritt des Bearbeitens ein Teil des Kristallkörpers entfernt werden. Hierbei kann ein Ätzprozess und zusätzlich oder alternativ ein Schleifprozess oder Polierprozess zur Anwendung kommen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der zumindest eine Kristallkörper auf zuverlässige und exakte Weise mit geeigneten bzw. erforderlichen Abmessungen versehen werden kann.
  • Es wird auch ein Verfahren zum Herstellen einer Sensorvorrichtung vorgestellt, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:
    • Fertigen einer Kristallkörpereinheit gemäß einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens; und
    • Anordnen einer Hochfrequenzeinrichtung zum Beaufschlagen des Kristallkörpers der Kristallkörpereinheit mit einem Hochfrequenzsignal und einer Detektionseinrichtung zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper benachbart zu der Kristallkörpereinheit.
  • Durch Ausführen des Verfahrens ist eine Ausführungsform einer nachfolgend genannten Sensorvorrichtung herstellbar. Dabei kann eine Kristallkörpereinheit eingesetzt oder verwendet werden, die nach einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens gefertigt ist. Die Hochfrequenzeinrichtung kann als eine integrierte Streifenantenne ausgeführt sein.
  • Es wird ferner ein Verfahren zum Erfassen einer Messgröße vorgestellt, wobei das Verfahren in Verbindung mit einer Ausführungsform einer nachfolgend genannten Sensorvorrichtung ausführbar ist, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:
    • Anlegen eines elektrischen Signals an die Kristallkörpereinheit, wobei das elektrische Signal eine elektrische Anregung von Fehlstellen über resonante Tunnelübergänge in ein oberes Energieniveau der Fehlstellen bewirkt;
    • Beaufschlagen des Kristallkörpers mit dem Hochfrequenzsignal, wobei eine Frequenz des Hochfrequenzsignals variiert wird;
    • Auswerten des magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper ansprechend auf das elektrische Signal und das Hochfrequenzsignal, um zumindest eine Anregungsfrequenz des Hochfrequenzsignals zu ermitteln, bei der zumindest eine detektierte Signaleigenschaft des Fluoreszenzsignals eine vordefinierte Bedingung erfüllt; und
  • Bestimmen der Messgröße unter Verwendung der zumindest einen Anregungsfrequenz des Hochfrequenzsignals.
  • Mittels dieser Ausführungsform zur elektrischen Anregung von Farbzentren über resonante Tunnelübergänge kann ein effizienter Elektronen-Transfer vom Metallkontakt in das entsprechende obere Energieniveau realisiert werden, wobei der Grundzustand in dieser Ausführungsform vorteilhafterweise unbesetzt bleibt.
  • Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
  • Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte des hier vorgestellten Verfahrens zum Erfassen in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell, zuverlässig, genau und effizient gelöst werden.
  • Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM, eine optische Speichereinheit oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
  • Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät 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 Steuergeräts 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.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch das Steuergerät eine Steuerung zumindest einer Sensorvorrichtung, genauer gesagt einer Anlegeeinrichtung, der Detektionseinrichtung und der Hochfrequenzeinrichtung einer Ausführungsform der vorstehend genannten Sensorvorrichtung. Hierzu kann das Steuergerät beispielsweise auf das Fluoreszenzsignal von der Detektionseinrichtung zugreifen. Das Steuergerät kann ausgebildet sein, um die Anlegeeinrichtung und die Hochfrequenzeinrichtung mittels Steuersignalen anzusteuern.
  • Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
  • Es wird zudem eine Kristallkörpereinheit für eine Sensorvorrichtung vorgestellt, wobei die Kristallkörpereinheit zumindest folgende Merkmale aufweist:
    • einen Kristallkörper, in dem zumindest eine Fehlstellenschicht mit einer Mehrzahl von Fehlstellen erzeugt ist;
    • eine erste Elektrode, die an einem Trägersubstrat ausgeformt ist, wobei der Kristallkörper und die erste Elektrode stoffschlüssig miteinander verbunden sind; und
    • eine zweite Elektrode, die an dem Kristallkörper auf einer von der ersten Elektrode abgewandten Seite des Kristallkörpers angeordnet ist, wobei die zumindest eine Fehlstellenschicht zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist.
  • Die Kristallkörpereinheit kann gemäß einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens gefertigt sein.
  • Es wird ferner eine Sensorvorrichtung vorgestellt, die zumindest folgende Merkmale aufweist:
    • eine Ausführungsform der vorstehend genannten Kristallkörpereinheit;
    • eine Schnittstelle zu einer Anlegeeinrichtung zum Anlegen eines elektrischen Signals an die Elektroden der Kristallkörpereinheit;
    • eine Hochfrequenzeinrichtung zum Beaufschlagen des Kristallkörpers der Kristallkörpereinheit mit einem Hochfrequenzsignal; und
    • eine Detektionseinrichtung zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper ansprechend auf das elektrische Signal und das Hochfrequenzsignal.
  • Die Sensorvorrichtung kann ausgebildet sein, um eine Messgröße, insbesondere ein Magnetfeld, zu erfassen. Die Detektionseinrichtung kann ausgebildet sein, um die zumindest eine Signaleigenschaft des Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper der Kristallkörpereinheit optisch und/oder elektrisch zu erfassen. Die zumindest eine Signaleigenschaft des Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper der Kristallkörpereinheit kann eine Lichtintensität sein. Somit kann die Detektionseinrichtung ausgebildet sein, um die zumindest eine Signaleigenschaft mittels einer optischen Auswertung über eine Intensität des Fluoreszenzsignals oder mittels einer elektrischen Auswertung über eine sogenannte Photocurrent Detection of Magnetic Resonance (PDMR) zu detektieren. Das Hochfrequenzsignal kann ein Mikrowellensignal oder anderes Hochfrequenzsignal sein. Die Sensorvorrichtung kann als eine monolithisch integrierte Baugruppe, eine gekapselte Baugruppe oder dergleichen ausgeführt sein. Die Schnittstelle kann elektrische Leitungen, Anschlüsse, Kontakte, Anschlussflächen oder dergleichen aufweisen. Die Anlegeeinrichtung kann eine elektrische Stromquelle oder Spannungsquelle sein. Optional kann die Anlegeeinrichtung Teil der Sensorvorrichtung sein.
  • Es wird ferner ein System zum Erfassen einer Messgröße vorgestellt, wobei das System zumindest folgende Merkmale aufweist:
    • zumindest ein Exemplar einer Ausführungsform der vorstehend genannten Sensorvorrichtung; und
    • eine Ausführungsform des vorstehend genannten Steuergerätes, wobei das Steuergerät signalübertragungsfähig mit der zumindest einen Sensorvorrichtung verbindbar oder verbunden ist.
  • Bei dem System kann somit zumindest ein Exemplar einer Ausführungsform der vorstehend genannten Sensorvorrichtung eingesetzt oder verwendet werden, um in Verbindung mit einer Ausführungsform des vorstehend genannten Steuergerätes eine Messgröße zu erfassen.
  • Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Stickstoff-Fehlstelle in einem Diamantgitter;
    • 2 bis 7 Energieschemata und Diagramme zu Fluoreszenzeigenschaften gemäß Ausführungsbeispielen;
    • 8 eine schematische Schnittdarstellung einer Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 9 eine schematische Darstellung einer Integration eines Farbzentrums bzw. einer Fehlstelle in einen pn-Übergang gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 10 Energieschemata von Fehlstellen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 11 schematische Darstellungen einer Kristallkörpereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Fertigungszuständen;
    • 12 schematische Darstellungen einer Kristallkörpereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Fertigungszuständen;
    • 13 eine elektrische Anregung einer Kristallkörpereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 14 eine elektrische Anregung einer Kristallkörpereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 15 schematische Darstellungen einer Kristallkörpereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Fertigungszuständen;
    • 16 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Fertigen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 17 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
    • 18 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • In der nachfolgenden Beschreibung günstiger 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. Ferner werden nachfolgend Ausführungsbeispiele lediglich beispielhaft anhand von Stickstoff-Fehlstellen in einem Diamantgitter bzw. Diamant beschrieben.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Stickstoff-Fehlstelle 105 in einem Diamantgitter 100 bzw. Diamant 100. Die Stickstoff-Fehlstelle 105 kann auch als ein Nitrogen-Vacancy-Zentrum 105 bzw. NV-Zentrum 105 bezeichnet werden. Ein Kohlenstoffatom ist hierbei durch ein Stickstoff-Atom 110 ersetzt, wobei ein direkt benachbartes Kohlenstoff-Atom im Diamantgitter 100 fehlt und sich somit die Stickstoff-Fehlstelle 105 ergibt.
  • 2 bis 7 zeigen Energieschemata und Diagramme zu Fluoreszenzeigenschaften gemäß Ausführungsbeispielen. Hierbei zeigt 2 ein Energieschema 200 ohne Hochfrequenzsignalanregung bzw. Mikrowellenanregung und ohne Magnetfeldanregung, wobei Anregungslicht hv 210, ein Fluoreszenzsignal 220 und drei Zustände 3A, 3E und 1A sowie jeweilige von Elektronen besetzbare Energieniveaus ms=0 und ms=±1 für die Zustände3A und 3E Elektronen dargestellt sind.
  • 3 zeigt ein Diagramm 300 zu dem Energieschema aus 2. In dem Diagramm 300 ist an der Abszissenachse 302 beispielhaft eine Mikrowellenfrequenz in Megahertz bzw. MHz oder Gigahertz bzw. Ghz aufgetragen und ist an der Ordinatenachse 304 eine Fluoreszenz in beliebigen Einheiten aufgetragen, wobei ein zur Ordinatenachse 304 paralleler Pfeil 306 ein ansteigendes Magnetfeld B symbolisiert. Ferner sind in 3 beispielhaft vier Kennlinien bzw. Graphen 310, 312, 314 und 316 dargestellt, die einen Fluoreszenzverlauf für unterschiedlich starke Magnetfelder repräsentieren. Ein erster Graph 310 repräsentiert ein Magnetfeld mit der Stärke 0, B=0; ein zweiter Graph 312 repräsentiert beispielsweise ein Magnetfeld mit der Stärke von 2,8 mT; ein dritter Graph 314 repräsentiert beispielsweise ein Magnetfeld mit der Stärke von 5,8 mT; ein vierter Graph 360 repräsentiert beispielsweise ein Magnetfeld mit der Stärke von 8,3 mT. Minima einer Fluoreszenz sind lediglich beispielhaft für den zweiten Graphen 312 mit ω1 und ω2 bezeichnet. Eine Markierung 320 auf dem ersten Graphen 310 repräsentiert den Sachverhalt aus dem Energieschema von 2, d. h. ohne Magnetfeld (B=0) und ohne Mikrowellenanregung bzw. einer Mikrowellenfrequenz f≠2,9GHz.
  • 4 zeigt ein Energieschema 400 mit Mikrowellenanregung und ohne Magnetfeldanregung, wobei Anregungslicht hv 210, ein Hochfrequenzsignal 430 bzw. Mikrowellenstrahlung 430 und drei Zustände 3A, 3E und 1A sowie jeweilige Energieniveaus ms=0 und ms=±1 für die Zustände3A und 3E hinsichtlich Elektronen dargestellt sind.
  • 5 zeigt ein Diagramm 500 zu dem Energieschema aus 4. Das Diagramm 500 in 5 entspricht hierbei dem Diagramm aus 3 mit Ausnahme dessen, dass eine Markierung 520 auf dem ersten Graphen 310 den Sachverhalt aus dem Energieschema von 4 repräsentiert, d. h. ohne Magnetfeld (B=0) und mit Mikrowellenanregung bzw. einer Mikrowellenfrequenz f=2,9GHz. Die Markierung 520 ist hierbei in einem Bereich eines Minimums bzw. Fluoreszenzminimums des ersten Graphen 310 angeordnet.
  • 6 zeigt ein Energieschema 600 mit Mikrowellenanregung und mit Magnetfeldanregung, wobei Anregungslicht hv 210, Mikrowellenstrahlung 430 und drei Zustände 3A, 3E und 1A sowie jeweilige Energieniveaus ms=0 und ms=±1 für die Zustände3A und 3E hinsichtlich Elektronen dargestellt sind. Somit weisen die Zustände 3E hier ein weiteres Energieniveau bzw. zwei getrennte Energieniveaus ms=+1 und ms=-1 auf.
  • 7 zeigt ein Diagramm 700 zu dem Energieschema aus 6. Das Diagramm 700 in 7 entspricht hierbei dem Diagramm aus 3 bzw. 5 mit Ausnahme dessen, dass zwei Markierungen 720 und 725 auf dem zweiten Graphen 312 den Sachverhalt aus dem Energieschema von 6 repräsentieren, d. h. mit einem Magnetfeld (B≠0) und mit variabler Mikrowellenanregung bzw. einer Mikrowellenfrequenz. Die Markierungen 720 und 725 sind jeweils in einem Bereich jeweils eines Minimums bzw. Fluoreszenzminimums des zweiten Graphen 312 angeordnet. Beispielsweise ist eine erste Markierung 720 im Bereich eines ersten Minimums ω1 angeordnet und ist eine zweite Markierung 725 im Bereich eines zweiten Minimums ω2 angeordnet.
  • Unter Bezugnahme auf die 2 bis 7 sind mit anderen Worten und zusammenfassend ausgedrückt Energieschemata und Diagramme hinsichtlich einer Funktionsweise einer Magnetfeldmessung über eine Fluoreszenzmessung bei zusätzlicher Mikrowellenanregung bzw. ein Beispiel für eine Messung von Magnetfeldern gezeigt. Stickstoff-Fehlstellen in Diamant und Siliziumvakanzzentren bzw. SiV-Zentren in Siliziumcarbid (SiC) weisen das in dem in 2 dargestellten Diagramm bzw. Energieschema 200 gezeigte Energiespektrum bei Raumtemperatur auf. Im Normalzustand, d. h. ohne Mikrowellen und ohne Magnetfeld, zeigt eine Stickstoff-Fehlstelle bei optischer Anregung eine Fluoreszenz im roten Wellenlängenbereich bzw. bei einer Wellenlänge von 630 nm. Strahlt man zusätzlich zu der optischen Anregung durch das Anregungslicht 210 noch Mikrowellenstrahlung 430 bzw. das Hochfrequenzsignal 430 ein, kommt es bei 2,88 GHz zu einem Einbruch der Fluoreszenz, da die Elektronen in diesem Fall von dem Niveau ms=±1 des Zustandes 3A auf das Niveau ms=±1 des Zustandes 3E gehoben werden und von dort nichtstrahlend rekombinieren. Bei einem externen Magnetfeld kommt es zu einer Aufspaltung des Niveaus ms=±1 (Zeeman-Splitting) und es zeigen sich bei Auftragung der Fluoreszenz über die Frequenz der Mikrowellenanregung zwei Minima, beispielsweise w1 und w2 oder ω1 und ω2, im Fluoreszenzspektrum, deren Frequenzabstand proportional zur magnetischen Feldstärke B ist. Eine Magnetfeldsensitivität bzw. Magnetfeldauflösung wird dabei durch eine minimal auflösbare Frequenzverschiebung definiert und kann bis 1 pT bzw. 1 pT/√Hz erreichen.
  • Dieses Verfahren wird auch als ODMR (Optically Detected Magnetic Resonance; optisch detektiert Magnetresonanz) bezeichnet. Hierbei kommt es bei Übereinstimmung der Mikrowellenfrequenz mit dem Energieabstand zwischen dem Zustand 3A ms=0 und dem Niveau ms=±1 zu einem Einbruch der Fluoreszenz. Bei externem Magnetfeld spaltet das Niveau ms=±1 auf und es existieren zwei definierte Mikrowellenfrequenzen, bei denen die Fluoreszenz abnimmt bzw. Minima vorliegen. Der Frequenzabstand ist dabei proportional zum Magnetfeld B.
  • Ein ähnlicher Effekt tritt in Silizium-Vakanz-Zentren bzw. SiV-Zentren in Siliziumcarbid (SiC) auf. Auch hier ist eine Zeeman-Aufspaltung einzelner, quantisierter Energieniveaus durch Änderungen in der Fluoreszenz bei bestimmten eingestrahlten Mikrowellenfrequenzen detektierbar. Da der Fluoreszenzunterschied bei SiV-Zentren in SiC zwischen resonanten, mikrowelleninduzierten Übergängen geringer als bei NV-Zentren in Diamant ist, wird die Zahl an der Messung beteiligten Defektzentren N im Vergleich zu NV-Zentren erhöht (die Sensitivität steigt mit √(N) an), um mit SiV-Zentren in SiC ähnlich gute Magnetfeldsensitivitäten wie mit NV-Zentren zu erreichen.
  • Neben den hier dargestellten beispielhaften Farbzentren bzw. Fehlstellen-Vakanz-Zentren können auch andere Farbzentren in SiC, Diamant oder Bornitrid insbesondere zur Magnetfeldmessung über den Zeeman-Effekt genutzt werden.
  • 8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Sensorvorrichtung 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Sensorvorrichtung 800 ist ausgebildet, um insbesondere ein Magnetfeld als Messgröße zu erfassen.
  • Die Sensorvorrichtung 800 weist gemäß dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Kristallkörpereinheit 810 mit einem Kristallkörper 100, lediglich beispielhaft zwei Fehlstellenschichten 812, einem Trägersubstrat 814, einer ersten Elektrode 816 und einer zweiten Elektrode 818, Kontakte 820 als Teil einer Schnittstelle, ein Basissubstrat 830, eine Hochfrequenzeinrichtung 840 und eine Detektionseinrichtung 850 auf.
  • Der Kristallkörper 100 entspricht oder ähnelt dem Kristallkörper aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren. Die Kristallkörpereinheit 810 ist an dem Basissubstrat 830 angebracht. Ferner ist die Hochfrequenzeinrichtung 840 an dem Basissubstrat 830 angebracht. Hierbei ist die Hochfrequenzeinrichtung 840 benachbart zu der Kristallkörpereinheit 810 angeordnet. Die Detektionseinrichtung 850 ist in dem Basissubstrat 830 angeordnet bzw. ausgeformt. Genauer gesagt ist die Kristallkörpereinheit 810 im Bereich der Detektionseinrichtung 850 an dem Basissubstrat 830 angebracht. Gemäß dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Kontakte 820 der Schnittstelle an der Kristallkörpereinheit 810 angeordnet bzw. als ein Teil der Kristallkörpereinheit 810 ausgeführt.
  • Die Kristallkörpereinheit 810 weist den Kristallkörper 100 auf, in dem zumindest eine Fehlstellenschicht 812, hier beispielhaft zwei Fehlstellenschichten 812 erzeugt sind. In jeder Fehlstellenschicht 812 sind eine Mehrzahl von Fehlstellen im Kristallkörper 100 erzeugt. Der Kristallkörper 100, somit auch jede Fehlstellenschicht 812, ist zwischen der ersten Elektrode 816 und der zweiten Elektrode 818 angeordnet. Die erste Elektrode ist an dem Trägersubstrat 814 angeordnet bzw. als metallisierter Teilabschnitt des Trägersubstrats 814 ausgeführt. Dabei ist der Kristallkörper 100 an einer ersten Hauptoberfläche bzw. auf einer ersten Seite stoffschlüssig mit der ersten Elektrode 816 verbunden. Die zweite Elektrode 818 ist an einer von der ersten Hauptoberfläche oder Seite des Kristallkörpers 100 abgewandten zweiten Hauptoberfläche bzw. zweiten Seite mit dem Kristallkörper 100 verbunden. Die Kontakte 820 sind mit der zweiten Elektrode 818 verbunden. Die Kontakte 820 dienen zum elektrischen Anschluss der Kristallkörpereinheit 810 an eine Anlegeeinrichtung zum Anlegen eines elektrischen Signals an die Kristallkörpereinheit 810 bzw. den Kristallkörper 100 mit den Fehlstellenschichten 812.
  • Das Basissubstrat 830 ist beispielsweise aus Silizium ausgeformt. Die Hochfrequenzeinrichtung 840 ist ausgebildet, um den Kristallkörper 100 der Kristallkörpereinheit 810 mit einem Hochfrequenzsignal, insbesondere einem Mikrowellensignal zu beaufschlagen. Dabei ist die Hochfrequenzeinrichtung 840 beispielsweise als eine Streifenantenne ausgeführt. Die Detektionseinrichtung 850 ist als eine Photodiode in dem Basissubstrat 830 ausgeführt. Die Detektionseinrichtung 850 ist ausgebildet, um zumindest eine Signaleigenschaft eines magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper 100 ansprechend auf das elektrische Signal und das Hochfrequenzsignal zu detektieren.
  • Anders ausgedrückt zeigt 8 beispielhaft einen Aufbau einer miniaturisierten, auf SiV-Farbzentren basierten Sensorvorrichtung 800, die nach dem Prinzip der elektrischen Anregung der Defektzentren bzw. Fehlstellen betreibbar ist. Hierbei ist zusätzlich zu den entsprechend aufgebauten SiC-Schichten oder Diamantschichten der Kristallkörpereinheit 810 eine Metallisierung, eine Photodiode 850 bzw. Detektionseinrichtung 850 sowie eine Mikrowellenantenne 840 bzw. Hochfrequenzeinrichtung 840 zur Einkopplung von Mikrowellenstrahlung vorgesehen. Die Photodiode 850 dient entsprechend dem in den vorstehend genannten Figuren gezeigten Messprinzip zur Messung einer elektrisch angeregten Fluoreszenz und deren Änderung in Abhängigkeit von der eingestrahlten Frequenz bzw. Mikrowellenfrequenz des Hochfrequenzsignals. Somit zeigt 8 ein Beispiel einer miniaturisierten Sensorvorrichtung 800 basierend auf SiV-Farbzentren in SiC, welche in durch Dotierung erzeugten Fehlstellenschichten 812 integriert sind. Die Photodiode 850 ist als eine pn-Struktur in dem Basissubstrat 830 ausgeführt und dient zur Messung von Fluoreszenzintensitätsänderungen aus den Farbzentren bzw. Fehlstellen in Abhängigkeit der eingestrahlten Mikrowellenfrequenz des Hochfrequenzsignals.
  • Alternativ können auch andere Strukturen zum elektrischen Anregen von Farbzentren in die Sensorvorrichtung 800 integriert sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Integration einer SiC-pn-Struktur mit einer Si-basierten Photodiode über Waferbondverfahren oder Chip-to-Wafer-Bondverfahren vorgesehen sein.
  • 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Integration eines Farbzentrums 105 bzw. einer Fehlstelle 105 in einen pn-Übergang gemäß einem Ausführungsbeispiel. Von dem Farbzentrum 105 geht ein Photon bzw. Fluoreszenzsignal 220 aus. Es sind ferner ein Valenzband 901, ein Leitungsband 902, beispielhaft lediglich ein Loch 903 und beispielhaft lediglich ein Elektron 904 gezeigt. Im Falle einer Integration eines Farbzentrums 105 in einen pn-Übergang werden die höheren Zustände bzw. das Leitungsband 902 des Farbzentrums 105 mit Elektronen 904 besetzt und die unteren Zustände bzw. das Valenzband 901 mit Löchern 903.
  • 10 zeigt in Teildarstellungen A, B und C Energieschemata von Fehlstellen 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Fehlstelle 105 entspricht oder ähnelt der Fehlstelle bzw. dem Farbzentrum aus 9. Hierbei sind in jeder der Teildarstellungen A, B und C in 10 symbolisch ein Loch 903 und ein Elektron 904 eine in der Struktur der Fehlstelle 105 dargestellt. Exemplarisch ist in der Teildarstellung A von 10 ferner ein Fluoreszenzsignal 220 eingezeichnet, wobei in den Teildarstellungen B und C von 10 ein Hochfrequenzsignal 430 eingezeichnet ist.
  • Hierbei zeigt die Teildarstellung A von 10 ein Energieschema ohne Hochfrequenzsignalanregung bzw. Mikrowellenanregung und ohne Magnetfeldanregung der Fehlstelle 105. Die Teildarstellung B von 10 zeigt ein Energieschema mit Mikrowellenanregung mittels des Hochfrequenzsignals 430 und ohne Magnetfeldanregung der Fehlstelle 105. Die Teildarstellung C von 10 zeigt ein Energieschema mit Mikrowellenanregung mittels des Hochfrequenzsignals 430 und mit Magnetfeldanregung der Fehlstelle 105.
  • Durch Zeeman-Aufspaltung kann beispielsweise unter Verwendung einer Sensorvorrichtung wie der Sensorvorrichtung aus 8 bei einer mikrowelleninduzierten Anregung bzw. einer Anregung mittels des Hochfrequenzsignals 430 zwischen strahlend zerfallenden und nichtstrahlend zerfallenden und auf Magnetfelder reagierenden Anregungszuständen der Fehlstellen 105 bzw. Farbzentren 105 unterschieden werden. Hierbei kann eine homogene Anregung aller an der Messung beteiligten Farbzentren 105 in einem Kristallkörper von Vorteil sein, um ein Verschmieren von Zerfallsdauern angeregter Farbzentren 105 zu verhindern, wobei eine räumliche Beschränkung der Farbzentren 105 auf zumindest eine Fehlstellenschicht oder einen pn-Übergangsbereich im Hinblick auf eine Sensorempfindlichkeit vorteilhaft sein kann. Wie es in den Teildarstellungen A, B und C von 10 gezeigt ist, werden Elektronen 904 vom Farbzentrum 105 beispielsweise in einem pn-Übergang eingefangen und können strahlend rekombinieren. Durch Anregung mit Mikrowellen bzw. mittels des Hochfrequenzsignals 430 kann das Elektron 904 in ein magnetfeldempfindliches Energieniveau gehoben werden, von dem es dann nicht-strahlend rekombiniert. Eine Höhe der magnetfeldinduzierten Aufspaltung kann durch Verändern einer Mikrowellenfrequenz und Identifikation eines Frequenzabstands der Resonanzfrequenzen anhand der Fluoreszenzänderung in dem Fluoreszenzsignal 220 detektiert werden.
  • 11 zeigt in Teildarstellungen A, B, C, D und E schematische Darstellungen einer Kristallkörpereinheit 810 gemäß einem Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Fertigungszuständen. Die Kristallkörpereinheit 810 ähnelt hierbei der Kristallkörpereinheit aus 8.
  • In der Teildarstellung A von 11 ist der Kristallkörper 100 gezeigt, der beispielsweise aus Siliziumcarbid (SiC) ausgeformt ist. Über dem Kristallkörper 100 ist eine Maske angeordnet, wobei eine Implantation bzw. n-Dotierung eines von der Maske freiliegenden Abschnitts des Kristallkörpers 100 erfolgt. Die Teildarstellung A von 11 zeigt hierbei einen ersten Fertigungszustand.
  • In der Teildarstellung B von 11 ist ein nachfolgender, zweiter Fertigungszustand dargestellt, wobei eine andere oder verschobene Maske über dem Kristallkörper 100 angeordnet ist. Es erfolgt eine Implantation bzw. p-Dotierung eines weiteren freiliegenden Abschnitts des Kristallkörpers 100. Hierbei sind ein n-dotierter Abschnitt und ein p-dotierter Abschnitt des Kristallkörpers 100 lateral aneinander angrenzend angeordnet.
  • Die Teildarstellung C von 11 zeigt einen nachfolgenden, dritten Fertigungszustand, wobei eine Dotierstoff-Aktivierung, beispielsweise bei einer Temperatur von über 1000 Grad Celsius, des n-dotierten Abschnitts und des p-dotierten Abschnitts des Kristallkörpers 100 erfolgt.
  • In der Teildarstellung D von 11 ist ein wiederum nachfolgender, vierter Fertigungszustand gezeigt, wobei eine andere Maske über dem Kristallkörper 100 angeordnet ist. Es erfolgt eine Erzeugung von Fehlstellen, hier Silizium-Vakanz-Zentren, in einer Fehlstellenschicht 812 durch einen Elektronenstrahl bzw. e-Strahl.
  • Die Teildarstellung die von 11 zeigt einen nachfolgenden, fünften Fertigungszustand, wobei zwei Anschlüsse oder Elektroden an dem n-dotierten Abschnitt und dem p-dotierten Abschnitt des Kristallkörpers 100 angeordnet sind.
  • Anders ausgedrückt zeigt 11 eine Herstellung von lateralen pn-Übergängen mit integrierten Silizium-Vakanz-Zentren bzw. SiV-Zentren in SiC. Um in SiC die Erzeugung von SiV-Zentren auf den Bereich des pn-Übergangs zu beschränken, in dem hier die Fehlstellenschicht 812 angeordnet ist, sind laterale pn-Übergänge denkbar, in denen p-Gebiete und n-Gebiete nebeneinander durch eine Implantation mittels Schattenmasken erzeugt werden und die anschließende Bestrahlung mit Elektronen ebenfalls über Schattenmasken nur auf den Bereich des pn-Übergangs beschränkt wird, wie es in 11 gezeigt ist.
  • Die p-Dotierung kann prinzipiell mit allen Elementen der 3. Hauptgruppe des Periodensystems erfolgen, idealerweise wird diese in Diamant mit Bor und in SiC mit Aluminium realisiert. Für die n-Dotierung kommen Elemente der 5. Hauptgruppe in Frage, idealerweise sind für die Dotierung von SiC Stickstoff bzw. Phosphor und für Diamant Phosphor möglich. Um die Dotieratome in den Kristallkörper 100 einzubringen, kann eine Ionenimplantation genutzt oder eine Gasphasendotierung während einer chemischen Gasphasenabscheidung von Diamant bzw. SiC durch die Zugabe eines entsprechenden Materials in den Reaktorraum durchgeführt werden. Die Erzeugung von Fehlstellen bzw. NV-Zentren in Diamant erfolgt üblicherweise in zwei Prozessschritten. Es erfolgt eine Dotierung des Kristallkörpers 100 mit Stickstoff durch Implantation oder Gasphasendotierung während der Abscheidung und eine Bestrahlung mit Elektronen zur Erzeugung der Fehlstellen. Für die Erzeugung von SiV-Zentren in SiC genügt eine Bestrahlung mit Elektronen, beispielsweise mit Energien im Bereich von 0,5 bis 4 MeV.
  • 12 zeigt in Teildarstellungen A, B, C, D und E schematische Darstellungen einer Kristallkörpereinheit 810 gemäß einem Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Fertigungszuständen. Die Kristallkörpereinheit 810 ähnelt hierbei der Kristallkörpereinheit aus 8 oder 11.
  • In der Teildarstellung A von 12 ist der Kristallkörper 100 als Diamant mit einer Stickstoff-dotierten Diamantschicht bzw. Fehlstellenschicht 812 gezeigt. Dabei ist die Fehlstellenschicht 812 zwischen einem n-dotierten Abschnitt des Kristallkörpers 100 und einer p-dotierten Diamantschicht angeordnet. Anders ausgedrückt zeigt die Teildarstellung A von 12 einen ersten Fertigungszustand, wobei der Kristallkörper 100 mittels chemischer Gasphasenabscheidung ausgeformt wurde. In der Teildarstellung B von 12 ist ein nachfolgender, zweiter Fertigungszustand dargestellt, wobei eine Elektronenstrahl-Aktivierung der Fehlstellen in der Fehlstellenschicht 812 erfolgt. Die Teildarstellung C von 12 zeigt einen wiederum nachfolgenden, dritten Fertigungszustand, wobei eine Aufbringung einer Schicht aus einem transparenten, elektrisch leitfähigen Oxid auf die p-dotierte Diamantschicht erfolgt. In der Teildarstellung D von 12 ist ein nachfolgender, vierter Fertigungszustand dargestellt, wobei eine Strukturierung von pn-Diodenbereichen erfolgt. Die Teildarstellung E von 12 schließlich zeigt einen nachfolgenden, fünften Fertigungszustand, bei dem ein Aufbringen strukturierter Kontakte erfolgt.
  • Bei NV-Zentren in Diamant als Kristallkörper 100 kann die aus 11 bekannte Art der Herstellung der Weise angewendet werden, ist aber aufgrund der Möglichkeit der Gasphasendotierung während des Wachstums des Kristallkörpers 100 auch in vertikaler Richtung möglich. Anders ausgedrückt veranschaulicht 12 einen Prozessablauf zur Herstellung vertikal angeordneter pn-Übergänge in Diamant mit NV-Zentren bzw. in einem Kristallkörper 100 mit Fehlstellen, welche im Bereich des pn-Übergangs lokalisiert sind. Nach einer Abscheidung einer Stickstoff-dotierten, intrinsischen Diamantschicht als Fehlstellenschicht 812 wird eine p-dotierte Schicht auf das p-leitende Diamantsubstrat abgeschieden, siehe Teildarstellung A. Dann erfolgt eine Aktivierung der NV-Zentren durch Bestrahlung mit Elektronen, siehe Teildarstellung B. Anschließend wird ein transparentes, elektrisch leitfähiges Oxid abgeschieden und der pn-Diodenbereich z. B. über Lithografiemaskierung und Sauerstoff-Plasmaätzen definiert, siehe Teildarstellungen C und D. Schließlich werden p-Kontakt und n-Kontakt lokal metallisiert, siehe Teildarstellung E.
  • 13 zeigt in schematischen Teildarstellungen A, B und C eine elektrische Anregung einer Kristallkörpereinheit 810 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Kristallkörpereinheit 810 entspricht hierbei der Kristallkörpereinheit aus 8 mit Ausnahme dessen, dass lediglich eine Fehlstellenschicht 812 erzeugt ist. Hierbei zeigt die Teildarstellung A von 13 ein Energieschema als Prinzipskizze. Die Teildarstellung B von 13 zeigt ein Energieschema ohne Mikrowellenanregung der Fehlstellenschicht 812. Die Teildarstellung C von 13 zeigt ein Energieschema mit Mikrowellenanregung der Fehlstellenschicht 812 mittels eines Hochfrequenzsignals 430. Die in 13 dargestellte elektrische Anregung ist auch in Verbindung mit einem nachfolgend unter Bezugnahme auf 18 beschriebenen Verfahren zu betrachten.
  • In der Teildarstellung A von 13 sind von der Kristallkörpereinheit 810 die Fehlstellenschicht 812 sowie die erste Elektrode 816 und die zweite Elektrode 818 gezeigt. Ferner sind ein Valenzband 901, ein Leitungsband 902 und beispielhaft lediglich ein Elektron 904 symbolisch veranschaulicht. In der Teildarstellung B von 13 ist zusätzlich ein Photon bzw. Fluoreszenzsignal 220 symbolisch dargestellt. In der Teildarstellung C von 13 ist ferner das Hochfrequenzsignal 430 symbolisch eingezeichnet.
  • Positionen der ersten Elektrode 816 und der zweiten Elektrode 818 können gemäß einem Ausführungsbeispiel von dem hier gezeigten abweichen bzw. vertauscht sein.
  • Anders ausgedrückt werden in der Kristallkörpereinheit 810 hierbei Tunnelübergänge genutzt, bei denen eine Besetzung fluoreszierender Energieniveaus gezielt über eine Bandverbiegung von Diamant-Tunnelbarrieren oder SiC-Tunnelbarrieren erfolgen kann. Durch Anlegen einer Spannung bzw. eines elektrischen Signals kommt es zum Übergang von Elektronen 904 aus der Anode in das obere Niveau (3E) des Farbzentrums bzw. der Fehlstelle. Dort kommt es je nach Anregungsfrequenz der Mikrowelle bzw. des Hochfrequenzsignals 430 zu einem strahlenden Übergang oder zu einem nichtstrahlenden Zerfall. Nach dem Zerfall wird das Elektron 904 an der Kathode durch einen Tunnelübergang abgesaugt und das Grundniveau bleibt unbesetzt für den nächsten Übergang eines Elektrons 904 in den Grundzustand.
  • Somit erfolgt eine elektrische Anregung von Farbzentren über resonante Tunnelübergänge aus einem Metallkontakt in das entsprechende obere Niveau des Farbzentrums. Nach einer Rekombination, die strahlend erfolgt, wenn die Mikrowellenfrequenz bzw. Frequenz des Hochfrequenzsignals 430 nicht mit dem Abstand der oberen Energieniveaus übereinstimmt, siehe Teildarstellung B, und nicht strahlend bei resonanter Mikrowellenanregung, siehe Teildarstellung C, kann das Elektron 904 über einen zweiten resonanten Übergang an der Kathode aus dem Farbzentrum entfernt werden, sodass quasi eine Besetzungsinversion entstehen kann.
  • Dafür werden undotiertes SiC oder Diamantschichten beidseitig mit einer Metallschicht bzw. mit Metall als Elektroden 816 und 818 kontaktiert. Innerhalb der SiC- oder Diamantschichten sind lokalisiert, in definiertem Abstand zur metallisierten Oberfläche die Farbzentren bzw. Fehlstellen erzeugt. Ist eines der Energieniveaus des Farbzentrums mit dem Fermi-Niveau des Metalls bzw. der Elektrode 816 bzw. 818 auf der gleichen Energie, so ist zu erwarten, dass dieses Niveau effektiv stärker besetzt ist als die anderen. Die Lage des Fermi-Niveaus im Metall bezüglich der Bandstruktur des Hostkristalls bzw. des Kristallkörpers kann über die Art des Metalls definiert werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, entweder ein Kontaktmaterial der Anode so zu wählen, dass das Fermi-Niveau an der Anode mit den Zuständen nahe einer Kante des Leitungsbandes 902 übereinstimmt, oder die Kathode so auszulegen, dass die Zustände nahe am Valenzband 901 mit dem Fermi-Niveau der Kathode übereinstimmen. So kann eine effektive Besetzung dieser Zustände über einen eingestellten Tunnelstrom reguliert werden. Es kann ggf. ein Kontrast zwischen strahlenden und nichtstrahlenden Übergängen erhöht werden. Idealerweise findet sich eine Auslegung, in der Anoden- und Kathodenmetall so zusammengestellt bzw. ausgewählt sind, dass eine Besetzungsinversion entsteht und ein maximales Fluoreszenzsignal 220 erreicht werden kann. Eine Fertigung kann ähnlich oder gemäß dem Verfahren aus 16 erfolgen, aber mit nur einer δ-dotierten Schicht als Fehlstellenschicht 812.
  • 14 zeigt in schematischen Teildarstellungen A, B und C eine elektrische Anregung einer Kristallkörpereinheit 810 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Kristallkörpereinheit 810 entspricht hierbei der Kristallkörpereinheit aus 8 mit den zwei Fehlstellenschichten 812. Die Teildarstellung A von 14 zeigt ein Energieschema ohne Hochfrequenzsignalanregung bzw. Mikrowellenanregung und ohne Magnetfeldanregung der Fehlstellenschichten 812. Die Teildarstellung B von 14 zeigt ein Energieschema mit Mikrowellenanregung mittels des Hochfrequenzsignals 430 und ohne Magnetfeldanregung der Fehlstellenschichten 812. Die Teildarstellung C von 14 zeigt ein Energieschema mit Mikrowellenanregung mittels des Hochfrequenzsignals 430 und mit Magnetfeldanregung der Fehlstellenschichten 812. Die in 14 dargestellte elektrische Anregung ist auch in Verbindung mit einem nachfolgend unter Bezugnahme auf 18 beschriebenen Verfahren zu betrachten.
  • In der Teildarstellung A von 14 sind von der Kristallkörpereinheit 810 die Fehlstellenschichten 812 sowie die erste Elektrode 816 und die zweite Elektrode 818 gezeigt. Ferner sind ein Valenzband 901, ein Leitungsband 902, beispielhaft lediglich ein Elektron 904 und ein Photon bzw. Fluoreszenzsignal 220 symbolisch veranschaulicht. In der Teildarstellung B von 14 sowie in der Teildarstellung C von 14 ist zusätzlich das Hochfrequenzsignal 430 symbolisch eingezeichnet.
  • Positionen der ersten Elektrode 816 und der zweiten Elektrode 818 können gemäß einem Ausführungsbeispiel von dem hier gezeigten abweichen bzw. vertauscht sein.
  • Anders ausgedrückt besteht hierbei die Möglichkeit, einen direkten Übergang aus dem Grundzustand in den angeregten Zustand über einen Prozess zu erreichen, der einem sogenannten Band-zu-Band-Tunneln in klassischen Halbleitern entspricht oder ähnelt. Hierfür sind innerhalb der Tunnelbarriere aus SiC oder Diamant zwei Fehlstellenschichten 812 als delta-dotierte Bereiche erzeugt, deren Abstand so gewählt ist, dass bei moderaten elektrischen Spannungen ein Übergang aus den Grundzuständen einer ersten delta-dotierten Schicht in den angeregten Zustand einer zweiten delta-dotierten Schicht möglich ist. Hier ist eine Fluoreszenzveränderung bei entsprechender Mikrowellenanregung der Übergänge aus dem Grundzustand in den magnetisch empfindlichen, angeregten Zustand detektierbar. Eine Fertigung kann ähnlich oder gemäß dem Verfahren aus 16 erfolgen.
  • Somit zeigt 14 ein elektrisches Ausleseverfahren über Tunneln von Elektronen 904 aus dem Grundzustand der ersten δ-dotierten Schicht bzw. Fehlstellenschicht 812 in den angeregten Zustand der zweiten δ-dotierten Schicht bzw. Fehlstellenschicht 812. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. eines elektrischen Signals an den Kristallkörper bzw. Host-Kristall (hier Diamant, möglich sind auch SiC oder BN mit den jeweiligen Farbzentren) tunneln die Elektronen 904 aus dem Grundzustand der ersten δ-dotierten Schicht bzw. Fehlstellenschicht 812in den angeregten Zustand der zweiten δ-dotierten Schicht bzw. Fehlstellenschicht 812, siehe Teildarstellung A. Bei resonanter Anregung mit Mikrowellen bzw. dem Hochfrequenzsignal 430 erfolgt wiederum der tunnelinduzierte Übergang in den korrespondierenden Zustand der zweiten δ-dotierten Schicht bzw. Fehlstellenschicht 812, von dem die Rekombination nicht-strahlend erfolgt, siehe Teildarstellung B. Bei externem Magnetfeld geschieht dieser Übergang bei zwei Mikrowellenfrequenzen, deren Frequenzabstand proportional zum Magnetfeld ist, siehe Teildarstellung C.
  • 15 zeigt in Teildarstellungen A, B, C, D und E schematische Darstellungen einer Kristallkörpereinheit 810 gemäß einem Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Fertigungszuständen. Die Kristallkörpereinheit 810 entspricht hierbei der Kristallkörpereinheit aus 8.
  • In der Teildarstellung A von 15 ist der Kristallkörper 100 als Diamantsubstrat mit lediglich beispielhaft zwei Stickstoff-dotierten Diamantschichten 1512 nach einer chemischen Gasphasenabscheidung dargestellt. Die Teildarstellung A von 15 zeigt hierbei einen ersten Fertigungszustand.
  • Die Teildarstellung B von 15 zeigt einen nachfolgenden, zweiten Fertigungszustand, wobei eine Aktivierung von Fehlstellen bzw. Stickstoff-Fehlstellen bzw. NV-Zentren in den Stickstoff-dotierten Diamantschichten mittels Elektronenstrahlen erfolgt, um die Fehlstellenschichten 812 zu erzeugen.
  • In der Teildarstellung C von 15 ist ein wiederum nachfolgender, dritter Fertigungszustand dargestellt, wobei der in der Teildarstellung B gezeigte Kristallkörper 100 auf ein metallisiertes Trägersubstrat 814 gebondet wird. Eine Metallisierung des Trägersubstrats 814 repräsentiert hierbei eine erste Elektrode 816 der Kristallkörpereinheit 810.
  • Die Teildarstellung D von 15 zeigt einen nachfolgenden, vierten Fertigungszustand nach einem Abdünnen bzw. Entfernen eines Teils des Kristallkörpers 100 und einem Aufbringen eines transparenten, elektrisch leitfähigen Oxids als zweite Elektrode 818 der Kristallkörpereinheit 810. Somit ist der abgedünnte Kristallkörper 100 mit den Fehlstellenschichten 812 zwischen der ersten Elektrode 816 und der zweiten Elektrode 818 angeordnet.
  • In der Teildarstellung E von 15 ist ein nachfolgender, fünfter Fertigungszustand nach einer Definition oder Strukturierung der Kristallkörpereinheit 810 bzw. einer Sensorstruktur und einem Aufbringen von Metallkontakten 820 gezeigt. Die Kristallkörpereinheit 810 dem fünften Fertigungszustand entspricht oder ähnelt der Kristallkörpereinheit aus 8
  • Anders ausgedrückt veranschaulicht 15 eine Herstellung einer Sensorstruktur basierend auf zwei mit Farbzentren δ-dotierten bzw. delta-dotierten Bereichen als Fehlstellenschichten 812 am Beispiel von Diamant als Kristallkörper 100. Nach der chemischen Gasphasenabscheidung der δ-Dotierungen getrennt durch intrinsische Diamantschichten 1512, siehe Teildarstellung A, und Aktivierung der NV-Zentren durch Elektronenstrahlen, siehe Teildarstellung B, wird der Kristallkörper 100 auf ein metallisiertes, mechanisch stabiles Trägersubstrat 814 gebondet, siehe Teildarstellung C, und anschließend beispielsweise durch Sauerstoff-Plasmaätzen oder Abschleifen bzw. mechanisch chemisches Polieren abgedünnt, siehe Teildarstellung D. Nach erfolgter Abscheidung eines transparenten, elektrisch leitfähigen Oxids werden Abmessungen des aktiven Sensors bzw. der Kristallkörpereinheit 810 über Rückätzen (z. B. Sauerstoff-Plasma) definiert und abschließend Metallstrukturen bzw. Kontakte 820 zur elektrischen Kontaktierung aufgebracht, siehe Teildarstellung E. Eine ähnliche Herstellung ist auch für die Verwendung von SiC und entsprechend δ-dotierten Bereichen mit SiV-Farbzentren möglich. In allen Fällen der elektrischen Kontaktierung sollte mindestens eine der Elektroden 816 und 818 optisch transparent sein, um die Fluoreszenzunterschiede bei den mikrowelleninduzierten Übergängen in die magnetisch sensitiven Zustände in den Fehlstellen detektieren zu können. Dies kann durch transparente, elektrische leitfähige Oxide, wie beispielsweise ITO (indium tin oxide; Indiumzinnoxid), AZO (aluminium-doped zinc oxide; Aluminium-Zink-Oxid), FTO (fluorine tin oxide; Fluor-Zinn-Oxid) oder dergleichen, oder semitransparente, dünne Metallschichten ermöglicht werden.
  • 16 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1600 zum Fertigen gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1600 zum Fertigen ist ausführbar, um eine Kristallkörpereinheit für eine Sensorvorrichtung zu fertigen. Genauer gesagt ist das Verfahren 1600 zum Fertigen ausführbar, um die Kristallkörpereinheit aus einer der vorstehend genannten Figuren oder eine ähnliche Kristallkörpereinheit zu fertigen. Insbesondere ist das Verfahren 1600 zum Fertigen im Zusammenhang mit einem durch 15 implizierten Prozess oder einem ähnlichen Prozess ausführbar.
  • Dabei wird in einem Schritt 1610 des Erzeugens zumindest eine Fehlstellenschicht mit einer Mehrzahl von Fehlstellen in einem Kristallkörper erzeugt. In einem Schritt 1620 des Herstellens wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kristallkörper und einer ersten Elektrode hergestellt. Dabei ist die erste Elektrode an einem Trägersubstrat ausgeformt. Der Schritt 1620 des Herstellens ist gemäß einem Ausführungsbeispiel nach dem Schritt 1610 des Erzeugens ausführbar. In einem Schritt 1630 des Anordnens wird eine zweite Elektrode auf einer von der ersten Elektrode abgewandten Seite des Kristallkörpers an dem Kristallkörper angeordnet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Schritt 1630 des Anordnens nach dem Schritt 1620 des Herstellens ausführbar. Somit ist die zumindest eine Fehlstellenschicht zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 1600 zum Fertigen ferner einen Schritt 1640 des Bearbeitens des Trägersubstrats und/oder des Kristallkörpers auf. Dabei wird im Schritt 1640 des Bearbeitens insbesondere ein Teil des Kristallkörpers entfernt. Der Schritt 1640 des Bearbeitens ist gemäß einem Ausführungsbeispiel zwischen dem Schritt 1620 des Herstellens und dem Schritt 1630 des Anordnens ausführbar.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird im Schritt 1630 des Anordnens an dem Kristallkörper eine zweite Elektrode angeordnet, deren Material ein bezüglich der Bandstruktur des Kristallkörpers vordefiniert positioniertes Fermi-Niveau aufweist. Zusätzlich oder alternativ wird hierbei im Schritt 1620 des Herstellens eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kristallkörper und einer ersten Elektrode hergestellt, deren Material ein bezüglich der Bandstruktur des Kristallkörpers vordefiniert positioniertes Fermi-Niveau aufweist.
  • Gemäß noch einem Ausführungsbeispiel werden im Schritt 1610 des Erzeugens zwei Fehlstellenschichten mit einer Mehrzahl von Fehlstellen in dem Kristallkörper erzeugt. Zusätzlich oder alternativ wird im Schritt 1610 des Erzeugens die zumindest eine Fehlstellenschicht mit mindestens einen vordefinierten Abstand zwischen der zumindest einen Fehlstellenschicht und einer Oberfläche des Kristallkörpers und/oder zwischen Fehlstellenschichten erzeugt.
  • Insbesondere wird im Schritt 1630 des Anordnens eine mindestens partiell transparente Elektrode als die zweite Elektrode an dem Kristallkörper angeordnet. Zusätzlich oder alternativ wird im Schritt 1620 des Herstellens eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kristallkörper und einer mindestens partiell transparent ausgeführten ersten Elektrode hergestellt.
  • 17 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1700 zum Herstellen gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1700 zum Herstellen ausführbar, um eine Sensorvorrichtung herzustellen. Genauer gesagt ist das Verfahren 1700 zum Herstellen ausführbar, um eine Sensorvorrichtung herzustellen, welche der Sensorvorrichtung aus einer der vorstehend genannten Figuren entspricht oder ähnelt.
  • Dabei wird in einem Schritt 1710 des Fertigens eine Kristallkörpereinheit gefertigt. Der Schritt 1710 des Fertigens weist hierbei die Schritte des Verfahrens aus 16 oder eines ähnlichen Verfahrens als Teilschritte auf.
  • Nachfolgend werden in einem Schritt 1720 des Anordnens eine Hochfrequenzeinrichtung zum Beaufschlagen des Kristallkörpers der Kristallkörpereinheit mit einem Hochfrequenzsignal und eine Detektionseinrichtung zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper benachbart zu der Kristallkörpereinheit angeordnet. Dabei werden die Hochfrequenzeinrichtung und die im Schritt 1710 des Fertigens gefertigte Kristallkörpereinheit beispielsweise an einem Basissubstrat angebracht. Die Detektionseinrichtung ist oder wird beispielsweise in dem Basissubstrat ausgeformt.
  • 18 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1800 zum Erfassen gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1800 zum Erfassen ist ausführbar, um eine Messgröße zu erfassen. Dabei ist das Verfahren 1800 zum Erfassen in Verbindung mit der Sensorvorrichtung aus einer der vorstehend genannten Figuren oder einer ähnlichen Sensorvorrichtung ausführbar. Auch ist das Verfahren 1800 zum Erfassen in Verbindung mit den Darstellungen elektrischer Anregung aus 13 und 14 zu betrachten.
  • In einem Schritt 1810 des Anlegens wird bei dem Verfahren 1800 zum Erfassen ein elektrisches Signal an die Kristallkörpereinheit angelegt. Das elektrische Signal bewirkt eine elektrische Anregung von Fehlstellen über resonante Tunnelübergänge in ein oberes Energieniveau der Fehlstellen. In einem Schritt 1820 des Beaufschlagens wird der Kristallkörper mit dem Hochfrequenzsignal beaufschlagt. Dabei wird im Schritt 1820 des Beaufschlagens eine Frequenz des Hochfrequenzsignals variiert. Der Schritt 1810 des Anlegens und der Schritt 1820 des Beaufschlagens können zumindest teilweise gleichzeitig ausgeführt werden. Der Schritt 1810 des Anlegens und der Schritt 1820 des Beaufschlagens können kontinuierlich ausgeführt werden.
  • Nachfolgend wird in einem Schritt 1830 des Auswertens das magnetfeldabhängige Fluoreszenzsignal von dem Kristallkörper ansprechend auf das im Schritt 1810 des Anlegens angelegte elektrische Signal und das im Schritt 1820 des Beaufschlagens erzeugte Hochfrequenzsignal ausgewertet, um zumindest eine Anregungsfrequenz des Hochfrequenzsignals zu ermitteln, bei der zumindest eine detektierte Signaleigenschaft des Fluoreszenzsignals eine vordefinierte Bedingung erfüllt. Nachfolgend wird in einem Schritt 1840 des Bestimmens unter Verwendung der zumindest einen ermittelten Anregungsfrequenz des Hochfrequenzsignals die Messgröße bestimmt. Dabei sind der Schritt 1830 des Auswertens und der Schritt 1840 des Bestimmens zyklisch bzw. sequenziell wiederholbar.
  • Unter Bezugnahme auf die vorstehend beschriebenen Figuren werden nachfolgend Ausführungsbeispiele und/oder Hintergründe und Vorteile von Ausführungsbeispielen zusammenfassend und mit anderen Worten beschrieben und/oder kurz vorgestellt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Sensorvorrichtung 800 als ein Magnetsensor basierend auf Farbzentren 105 bzw. Fehlstellen 105 in Diamant oder Siliziumcarbid mit elektrischer Anregung ausgeführt.
  • Im Bereich der Sensorik gibt es eine Entwicklung hin zur Miniaturisierung bei gleichzeitiger Steigerung einer Leistungsfähigkeit. Die Sensorvorrichtung 800 kann in dieser Hinsicht bezüglich Kosten, Baugröße und Leistungsfähigkeit Vorteile bieten.
  • Mittels der Sensorvorrichtung 800 beispielsweise können Messgrößen wie z. B. Magnetfelder besonders genau erfasst werden. Dadurch könnte z. B. ein mit der Sensorvorrichtung 800 ausgerüstetes Smartphone dazu genutzt werden, um eine Anwesenheit von elektrischen Leitungen in Wänden aufzuspüren, oder eine mit der Sensorvorrichtung 800 ausgerüstete Datenbrille auch zum Messen oder Überwachen einer Gehirnaktivität eines Nutzers verwendet werden.
  • Mögliche weitere Anwendungen für diese hochempfindliche Magnetsensortechnologie in Gestalt der Sensorvorrichtung 800 sind nachfolgend exemplarisch kurz aufgeführt. Denkbar sind unter anderem eine Magnetoenzephalografie bzw. Messung von Magnetfeldern im Gehirn und eine Erdmagnetfeldmessung für e-compass-Anwendungen. Möglich ist es auch, mit elektrisch angeregten Farbzentren-Sensoren wie der Sensorvorrichtung 800 eine Messung von Kernspinresonanzfrequenzen durchzuführen, woraus sich Anwendungen ergeben, wie ein Rußpartikelsensor zur Messung einer Anwesenheit von organischen Belägen auf dem Sensor, eine Messung einer Kraftstoffqualität und einer Zusammensetzung über NMR-Detektion oder eine Einzelmoleküldetektion innerhalb von biologischen Proben, z. B. zur Messung einer Konzentration von zirkulierenden Tumorzellen in einer Krebstherapie. Des weiteren kann die Sensorvorrichtung 800 zur Strommessung dienen, wobei sowohl eine Stromstärke in stromdurchflossenen Leitern bestimmt werden kann als auch eine Nutzung in Geräten zum Aufspüren von elektrischen Leitungen in Wänden ermöglicht werden kann. Abgeleitet daraus sind auch Systeme zur Überwachung von elektrischen Anlagen denkbar, wobei mittels einer Mehrzahl von Sensorvorrichtungen 800 umfassenden Sensorarrays eine Stromstärke in komplexen Leitungssystemen zweidimensional oder dreidimensional bildlich dargestellt werden kann.
  • 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
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 3742878 A1 [0003]
    • WO 2016/066532 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren (1600) zum Fertigen einer Kristallkörpereinheit (810) für eine Sensorvorrichtung (800), wobei das Verfahren (1600) zumindest folgende Schritte aufweist: Erzeugen (1610) zumindest einer Fehlstellenschicht (812) mit einer Mehrzahl von Fehlstellen (105) in einem Kristallkörper (100); Herstellen (1620) einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Kristallkörper (100) und einer ersten Elektrode (816), wobei die erste Elektrode (816) an einem Trägersubstrat (814) ausgeformt ist; und Anordnen (1630) einer zweiten Elektrode (818) an dem Kristallkörper (100) auf einer von der ersten Elektrode (816) abgewandten Seite des Kristallkörpers (100), wobei die zumindest eine Fehlstellenschicht (812) zwischen der ersten Elektrode (816) und der zweiten Elektrode (818) angeordnet ist.
  2. Verfahren (1600) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (1630) des Anordnens an dem Kristallkörper (100) eine zweite Elektrode (818) angeordnet wird, deren Material ein bezüglich der Bandstruktur des Kristallkörpers (100) vordefiniert positioniertes Fermi-Niveau aufweist, und/oder im Schritt des Herstellens (1620) eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kristallkörper (100) und einer ersten Elektrode (816) hergestellt wird, deren Material ein bezüglich der Bandstruktur des Kristallkörpers (100) vordefiniert positioniertes Fermi-Niveau aufweist.
  3. Verfahren (1600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (1610) des Erzeugens zwei Fehlstellenschichten (812) mit einer Mehrzahl von Fehlstellen in dem Kristallkörper (100) erzeugt werden.
  4. Verfahren (1600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (1610) des Erzeugens die zumindest eine Fehlstellenschicht (812) mit mindestens einen vordefinierten Abstand zwischen der zumindest einen Fehlstellenschicht (812) und einer Oberfläche des Kristallkörpers (100) und/oder zwischen Fehlstellenschichten (812) erzeugt wird.
  5. Verfahren (1600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (1630) des Anordnens eine mindestens partiell transparente Elektrode als die zweite Elektrode (818) an dem Kristallkörper (100) angeordnet wird und/oder im Schritt (1620) des Herstellens eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kristallkörper (100) und einer mindestens partiell transparent ausgeführten ersten Elektrode (816) hergestellt wird.
  6. Verfahren (1600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schritt (1640) des Bearbeitens des Trägersubstrats (814) und/oder des Kristallkörpers (100), wobei im Schritt des Bearbeitens ein Teil des Kristallkörpers (100) entfernt wird.
  7. Verfahren (1700) zum Herstellen einer Sensorvorrichtung (800), wobei das Verfahren (1700) zumindest folgende Schritte aufweist: Fertigen (1710) einer Kristallkörpereinheit nach dem Verfahren (1600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche; und Anordnen (1720) einer Hochfrequenzeinrichtung zum Beaufschlagen des Kristallkörpers (100) der Kristallkörpereinheit mit einem Hochfrequenzsignal (430) und einer Detektionseinrichtung zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals (220) von dem Kristallkörper (100) benachbart zu der Kristallkörpereinheit.
  8. Verfahren (1800) zum Erfassen einer Messgröße, wobei das Verfahren (1800) in Verbindung mit der Sensorvorrichtung (800) gemäß Anspruch 10 ausführbar ist, wobei das Verfahren (1800) zumindest folgende Schritte aufweist: Anlegen (1810) eines elektrischen Signals an die Kristallkörpereinheit (810), wobei das elektrische Signal eine elektrische Anregung von Fehlstellen (105) über resonante Tunnelübergänge in ein oberes Energieniveau (3E) der Fehlstellen (105) bewirkt; Beaufschlagen (1820) des Kristallkörpers (100) mit dem Hochfrequenzsignal (430), wobei eine Frequenz des Hochfrequenzsignals (430) variiert wird; Auswerten (1830) des magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals (220) von dem Kristallkörper (100) ansprechend auf das elektrische Signal und das Hochfrequenzsignal (430), um zumindest eine Anregungsfrequenz des Hochfrequenzsignals (430) zu ermitteln, bei der zumindest eine detektierte Signaleigenschaft des Fluoreszenzsignals (220) eine vordefinierte Bedingung erfüllt; und Bestimmen (1840) der Messgröße unter Verwendung der zumindest einen Anregungsfrequenz des Hochfrequenzsignals (430).
  9. Kristallkörpereinheit (810) für eine Sensorvorrichtung (800), wobei die Kristallkörpereinheit (810) zumindest folgende Merkmale aufweist: einen Kristallkörper (100), in dem zumindest eine Fehlstellenschicht (812) mit einer Mehrzahl von Fehlstellen (105) erzeugt ist; eine erste Elektrode (816), die an einem Trägersubstrat (814) ausgeformt ist, wobei der Kristallkörper (100) und die erste Elektrode (816) stoffschlüssig miteinander verbunden sind; und eine zweite Elektrode (818), die an dem Kristallkörper (100) auf einer von der ersten Elektrode (816) abgewandten Seite des Kristallkörpers (100) angeordnet ist, wobei die zumindest eine Fehlstellenschicht (812) zwischen der ersten Elektrode (816) und der zweiten Elektrode (818) angeordnet ist.
  10. Sensorvorrichtung (800), die zumindest folgende Merkmale aufweist: die Kristallkörpereinheit (810) gemäß Anspruch 9; eine Schnittstelle (820) zu einer Anlegeeinrichtung zum Anlegen eines elektrischen Signals an die Elektroden (816, 818) der Kristallkörpereinheit (810); eine Hochfrequenzeinrichtung (840) zum Beaufschlagen des Kristallkörpers (100) der Kristallkörpereinheit (810) mit einem Hochfrequenzsignal (430); und eine Detektionseinrichtung (850) zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals (220) von dem Kristallkörper (100) ansprechend auf das elektrische Signal und das Hochfrequenzsignal (430).
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