DE102017217285A1

DE102017217285A1 - Schichtverbund zum elektrostatischen Dotieren einer zweidimensionalen Dotierschicht, Hall-Sensor und Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines solchen Schichtverbunds

Info

Publication number: DE102017217285A1
Application number: DE102017217285.1A
Authority: DE
Inventors: Fabian Purkl; Andreas Brenneis; Robert Roelver
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2019-03-28
Also published as: CN109585643A; FR3071667A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schichtverbund (102) zum elektrostatischen Dotieren einer zweidimensionalen Dotierschicht (104). Der Schichtverbund (102) umfasst eine mit der Dotierschicht (104) zu dem Schichtverbund (102) verbundene Elektretschicht (400) mit einer definierten Ladungsträgerdichte und/oder einer definierten Polarität. Die Elektretschicht (400) ist ausgebildet, um durch elektrostatische Wechselwirkung mit der Dotierschicht (104) eine Ladungsträgerdichte der Dotierschicht (104) abhängig von der definierten Ladungsträgerdichte auf einen definierten Wert einzustellen und/oder die Dotierschicht (104) abhängig von der definierten Polarität zu polarisieren.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
2D-Materialien, insbesondere Graphen, können mit ihren außergewöhnlichen Eigenschaften zu neuen Anwendungen und Produkten führen oder aber auch bestehende Produkte und Anwendungen deutlich verbessern. Bei Graphen besteht diese Eigenschaft unter anderem in der extrem hohen Ladungsträgerbeweglichkeit, die bei Raumtemperatur sogar bis zu 100.000 cm²/Vs betragen kann. Damit ist Graphen das Material mit der höchsten Ladungsträgerbeweglichkeit überhaupt.
Diese Materialeigenschaft kann zum Beispiel in Hochfrequenztransistoren oder magnetischen Hall-Sensoren zu deutlich verbesserten Eigenschaften führen. Bei Transistoren kann beispielsweise die obere Grenzfrequenz erhöht werden, bei der diese Bauelemente noch betrieben werden können. Bei Hall-Sensoren kann der Leistungsverbrauch reduziert werden. In beiden Bauelementen ist es notwendig, die Ladungsträgerkonzentration im Graphen zu kontrollieren bzw. definierte, gleichbleibende Ladungsträgerkonzentrationen im Graphen zu erzeugen.
Eine statische Dotierung kann chemisch durch das Einbringen von Fremdatomen wie etwa Stickstoff oder Bor erfolgen. Ein inhärentes Problem dieser Methode ist jedoch, dass die Dotieratome gleichzeitig die Mobilität reduzieren, da sie zusätzliche Streuzentren bilden.
Darüber hinaus kann Graphen wie konventionelle Halbleiter elektrostatisch dotiert werden. Dabei können durch einen sogenannten Gatterkontakt, der durch ein Dielektrikum vom Graphen elektrisch getrennt ist, Ladungsträger durch elektrostatische Anziehung in der Graphenschicht induziert werden. Je nach Dicke des Dielektrikums sind hierzu jedoch Spannungen zwischen 1 und 100 V notwendig.
Aus der Druckschrift DE 10 2015 203 040 A1 ist bekannt, dass Graphen als magnetfeldsensitive Schicht in einem Hall-Element eine hohe Elektronenmobilität bereitstellen kann.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Schichtverbund zum elektrostatischen Dotieren einer zweidimensionalen Dotierschicht, ein Hall-Sensor, ein Verfahren zum Herstellen eines Schichtverbunds zum elektrostatischen Dotieren einer zweidimensionalen Dotierschicht, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Es wird ein Schichtverbund zum elektrostatischen Dotieren einer zweidimensionalen Dotierschicht vorgestellt, wobei der Schichtverbund folgendes Merkmal aufweist:

eine mit der Dotierschicht zu dem Schichtverbund verbundene Elektretschicht mit einer definierten Ladungsträgerdichte und/oder einer definierten Polarität, wobei die Elektretschicht ausgebildet ist, um durch elektrostatische Wechselwirkung mit der Dotierschicht eine Ladungsträgerdichte der Dotierschicht abhängig von der definierten Ladungsträgerdichte auf einen definierten Wert einzustellen und/oder die Dotierschicht abhängig von der definierten Polarität zu polarisieren.

Unter einem Schichtverbund kann ein Verbund zweier oder mehrerer Schichten in Stapelform verstanden werden. Unter einer zweidimensionalen Dotierschicht kann eine Schicht aus einem zweidimensionalen Material, insbesondere aus Graphen, verstanden werden. Die Dotierschicht kann beispielsweise eine Dicke von einer bis drei Atomlagen aufweisen. Unter einer Elektretschicht kann eine Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material verstanden werden, das quasi permanent gespeicherte elektrische Ladungen oder quasi permanent ausgerichtete elektrische Dipole enthält und somit ein quasi permanentes elektrisches Feld in seiner Umgebung oder in seinem Inneren erzeugen kann. Die Elektretschicht kann entweder direkten Kontakt zur Dotierschicht haben oder durch eine zusätzliche Passivierschicht von der Dotierschicht getrennt sein. Unter einer Ladungsträgerdichte kann eine bestimmte Anzahl von Ladungsträgern pro Flächeneinheit verstanden werden. Die Ladungsträgerdichte kann auch als Ladungsträgerkonzentration bezeichnet werden. Unter einer Polarität kann eine negative oder positive Polarisierung verstanden werden.
Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass eine Schicht aus einem zweidimensionalen Material wie beispielsweise Graphen mittels eines Elektrets ohne Anlegen einer elektrischen Spannung elektrostatisch dotiert werden kann. Durch die Verwendung eines Elektrets mit definierter und langzeitstabiler Ladungsträgerkonzentration oder elektrischer Polarisierung zur elektrostatischen Dotierung von Graphen kann auf die Verwendung zusätzlicher Gatterkontakte oder auf eine chemische Dotierung, die die elektrischen Eigenschaften des Graphen beeinträchtigen kann, verzichtet werden. Weiterhin entfällt hierdurch die Notwendigkeit, hohe Spannungen für die Graphendotierung über ein Gatter in den betreffenden Schaltungen bereitzuhalten. Somit kann der Aufwand bei der Bauelementherstellung reduziert werden. Ferner ermöglicht die Verwendung eines Elektrets zur elektrostatischen Dotierung die Einstellung von Ladungsträgerkonzentrationen über einen weiten Bereich.
Somit kann über ein Elektret die in einigen Bauelementen wie Transistoren oder magnetischen Hall-Sensoren notwendige Definition der Ladungsträgerkonzentration verhältnismäßig einfach erreicht werden.
Unter einem Elektret ist dabei ein elektrisch isolierendes Material zu verstehen, das elektrische Ladungen permanent speichern kann oder eine permanente elektrische Polarisierung aufweist, wie etwa auch ferroelektrische Materialien wie Bariumtitanat oder Blei-Zirkonat-Titanat. Aufgrund der definierten Anzahl immobiler Ladungsträger bzw. der definierten elektrischen Polarisation werden im Graphen entsprechende Gegenladungen verursacht, wodurch das Graphen eine definierte Ladungsträgerkonzentration besitzt. Dabei ist es möglich, durch Herstellparameter und Materialauswahl des Elektrets die gespeicherte Ladungskonzentration im Elektret und damit auch gleichzeitig die Ladungsträgerkonzentration im Graphen gezielt einzustellen und zu definieren, ohne dass hierzu im Betrieb das Anlegen einer zusätzlichen elektrischen Spannung notwendig ist. Bei der Verwendung ferroelektrischer Materialien kann eine zusätzliche, gegebenenfalls einmalige Einstellung der Polarisation des Materials nach der Herstellung erforderlich sein.
Alternativ kann eine konstante Ladungsträgerkonzentration im Graphen auch durch ein sogenanntes Floating Gate realisiert werden, in dem die für die elektrostatische Dotierung notwendigen Ladungsträger gespeichert werden können.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Elektretschicht mit einer Graphenschicht als Dotierschicht zu dem Schichtverbund verbunden sein. Dadurch kann eine maximale Ladungsträgerbeweglichkeit der Dotierschicht gewährleistet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Elektretschicht Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Aluminiumfluorid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxynitrid oder Titandioxid als Schichtmaterial oder eine Kombination aus zumindest zwei der genannten Schichtmaterialien aufweisen. Dadurch ist es möglich, die Elektretschicht je nach Schichtmaterial mit unterschiedlichen Polaritäten zu fertigen.
Es ist vorteilhaft, wenn die Elektretschicht ausgebildet ist, um die Ladungsträgerdichte der Dotierschicht auf einen Wert zwischen 1 × 10¹² cm² und 2 × 10¹² cm^-2 einzustellen. Dadurch kann eine besonders hohe maximale Ladungsträgerdichte der Dotierschicht gewährleistet werden.
Zudem kann der Schichtverbund eine zwischen der Dotierschicht und der Elektretschicht angeordnete Passivierschicht aufweisen. Dadurch können Oberflächendefekte der Elektretschicht ausgeglichen werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Passivierschicht Bornitrid als Schichtmaterial aufweist. Bei dem Bornitrid kann es sich beispielsweise um hexagonales Bornitrid handeln. Dadurch kann ein stabiler und gleichmäßiger Kontakt zwischen der Dotierschicht und der Elektretschicht sichergestellt werden.
Von Vorteil ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der die Elektretschicht als elektrisch aufladbare Schicht und/oder als Schicht ausgestaltet ist, bei der eine Ladungsträgerdichte veränderbar ist. Eine solche ausführungsform bietet den Vorteil einer sehr flexible einstellbaren Ladungsträgerdichte der Elektretschicht für unterschiedliche Einsatzbereiche des Schichtverbunds realisieren zu können. Je nach Einsatzfall kann dann die Elektretschicht vor der konkreten Benutzung aufgeladen werden oder während des laufenden Betriebs des Sichtverbunds, beispielsweise für eine Justage des Empfindlichkeitsbereichs des Sichtverbunds für eine physikalische Größe verändert werden.
Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes die Elektretschicht zumindest eine isolierte Ladungsinsel aufweisen, die eine Ladungsträgerdichte aufweist, die sich von einer Ladungsträgerdichte in einer Umgebung der Ladungsinsel unterscheidet. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil einer sehr flexibel einstellbaren Ladungsträgerdichte in unterschiedlichen Bereichen der Elektretschicht realisieren zu können. Auf diese Weise können beispielsweise unterschiedlich empfindliche Bereiche der Elektretschicht für eine physikalische Größe realisiert werden.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner einen Hall-Sensor mit einem Schichtverbund gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen. Bei dem Hall-Sensor kann es sich beispielsweise um einen Sensor zur Verwendung in einem elektronischen Kompass, beispielsweise in einem Smartphone, handeln.
Darüber hinaus schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Verfahren zum Herstellen eines Schichtverbunds gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgenden Schritt umfasst:

Aufbringen der Elektretschicht auf die Dotierschicht, um den Schichtverbund herzustellen.

Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Aufbringens die Elektretschicht mittels Atomlagenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung oder Sputtern oder mittels einer Kombination aus zumindest zwei der genannten Fertigungsverfahren auf die Dotierschicht aufgebracht werden. Insbesondere kann die Elektretschicht dabei ausgeheizt werden. Die definierte Ladungsträgerdichte der Elektretschicht kann abhängig von einer Temperatur beim Ausheizen eingestellt werden. Dadurch kann die Ladungsträgerdichte der Dotierschicht mit hoher Wiederholgenauigkeit präzise eingestellt werden.
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 eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Bei der Vorrichtung kann es sich beispielsweise um einen Beschichtungsapparat zum Durchführen eines der weiter oben genannten Fertigungsverfahren zum Beschichten der Dotierschicht mit der Elektretschicht handeln.
Alternativ kann die Vorrichtung 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 Daten- oder 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 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 einer Vorrichtung kann somit ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung 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 der Vorrichtung 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 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.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Hall-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 ein Diagramm zur Darstellung eines Zusammenhangs zwischen einer Back-Gate-Spannung und einer Ladungsträgerkonzentration;
3 ein Diagramm zur Darstellung eines Zusammenhangs zwischen einer Ladungsträgerdichte eines Elektrets und einer Ausheiztemperatur des Elektrets;
4 eine schematische Darstellung eines Schichtverbunds gemäß einem Ausführungsbeispiel mit negativ geladener Elektretschicht;
5 eine schematische Darstellung eines Schichtverbunds gemäß einem Ausführungsbeispiel mit positiv geladener Elektretschicht;
6 eine schematische Darstellung eines Schichtverbunds mit einer Passivierschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
9 eine schematische Darstellung einer Struktur zum elektrostatischen Dotieren von Graphen über ein Floating Gate;
10 eine schematische Darstellung einer Struktur aus 9 bei anliegender Schreibspannung;
11 eine schematische Darstellung einer Struktur aus 9 nach Abschalten der Schreibspannung;
12 eine schematische Darstellung einer Struktur zum elektrostatischen Dotieren von Graphen über ein Floating Gate mit voneinander isolierten Quantenpunkten;
13 eine schematische Darstellung einer Struktur aus 9 mit zusätzlicher Passivierschicht;
14 eine schematische Darstellung einer Variante einer Struktur zur elektrostatischen Graphendotierung mittels eines polarisierbaren, ferroelektrischen Materials;
15 eine schematische Darstellung einer Struktur aus 14 bei anliegender Schreibspannung; und
16 eine schematische Darstellung einer Struktur aus 14 nach Abschalten der Schreibspannung.

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.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Hall-Sensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist eine Komponente des Hall-Sensors 100 in Form eines Schichtverbunds 102 mit einer elektrisch leitfähigen Dotierschicht 104 aus einem zweidimensionalen Material, insbesondere Graphen. Die Dotierschicht 104 ist mittels eines Elektrets elektrostatisch dotiert, wie dies nachfolgend anhand der 2 bis 8 näher beschrieben ist.
Bei dem in 1 gezeigten Hall-Sensor 100 werden bei Anlegen eines Magnetfelds B senkrecht zur Ebene der Dotierschicht 104 die Elektronen, die durch die Dotierschicht 104 fließen, aufgrund der Lorentzkraft abgelenkt, sodass sich eine Hall-Spannung V_H an zwei senkrecht zur Stromrichtung angebrachten Kontakten 106, 108 ausbildet. Eine physikalische Stromrichtung der Elektronen ist mit dem Buchstaben I_e bezeichnet. Die Hall-Spannung V_H übt eine äquivalente, der Lorentzkraft entgegengerichtete Kraft aus, die wiederum zu einem Gleichgewichtszustand führt. Die Sensitivität R_H ist invers proportional zur Ladungsträgerkonzentration n in der Schicht (R_H ∝ 1/n).
Um die Notwendigkeit des Dotierens zu erläutern, werden im Folgenden kurz Erkenntnisse aus der Hall-Sensor-Entwicklung erläutert. Bei Hall-Sensoren ist die Magnetfeldsensitivität definiert über den Hall-Widerstand R_H , der wiederum von der Ladungsträgerkonzentration n des Hall-Materials abhängt: R_H = 1/ne, wobei e für die Elementarladung steht.
Dieser insbesondere für elektrische Kompasssysteme in Smartphones wichtige Parameter des notwendigen Leistungsverbrauchs P zum Erreichen einer bestimmten Sensitivität ist in Hall-Sensoren abhängig von der erreichbaren Ladungsträgerbeweglichkeit µ: P ∝1/nµe, die in Graphen bei Raumtemperatur bis zu µ > 100.000 cm²/Vs betragen kann.
Damit ist Graphen das Material mit der höchsten Ladungsträgerbeweglichkeit von allen bisher bekannten Materialien. Eine weitere wichtige Bewertungszahl ist das Rauschlevel dieser Sensoren, das das minimal detektierbare Magnetfeld B_min definiert. Bei diesem Magnetfeldwert entspricht die sich einstellende Hall-Spannung genau der Rauschspannung, die sich für eine bestimmte Bandbreite aus dem Rauschlevel N_V , gemessen in nV/sqrt(Hz), ergibt. Diese Hall-Spannung kann weiterhin durch die Betriebsstromstärke I beeinflusst werden. B_min ergibt sich also zu: $B_{min} = N_{ν} / (R_{H} \times I)$
Bei Betrachtung des Verlaufs des minimal detektierbaren Magnetfeldes B_min für verschiedene Ladungsträgerkonzentrationen n anhand gemessener Rauschkurven ist erkennbar, dass der optimale Arbeitspunkt bei Ladungsträgerkonzentrationen von n = 1,5 bis 2 × 10¹² cm^-2 liegt, wofür beim elektrostatischen Dotieren ohne Elektret bei einer Isolationsschichtdicke von ca. 100 nm Gatterspannungen von 15 bis 20 V notwendig sind. Gleichzeitig ist aus den gemessenen Daten ersichtlich, dass es leichte Unterschiede zwischen negativer und positiver Gatterspannung gibt, wie in 2 gezeigt. Die induzierte Loch- bzw. Elektronenleitung ist also leicht asymmetrisch. In Elektreten kann die Ladungsträgerkonzentration über die Abscheidebedingungen eingestellt werden, etwa bei positiv geladenen Elektreten wie Siliziumnitrid durch chemische Gasphasenabscheidung und anschließendes Ausheizen, auch post deposition annealing genannt, wie in 3 gezeigt, oder bei negativ geladenen Elektreten wie Aluminiumoxid durch die Herstellmethode.
Die Polarität der Dotierschicht 104 ist, wie bereits angedeutet, durch die Auswahl des Elektrets einstellbar. So weisen Elektrete wie Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid positive Ladungen auf, während beispielsweise Aluminiumoxid negative Ladungen enthält.
2 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines Zusammenhangs zwischen einer Back-Gate-Spannung V_BG (V) und einer dazugehörigen Ladungsträgerkonzentration n (10¹¹ cm^-2) auf einer x-Achse, einer Messfrequenz f (Hz) auf einer y-Achse und einem minimal detektierbaren Magnetfeld B_min (nT/Hz^1/2). Es ist erkennbar, dass ein optimaler Arbeitspunkt, bei dem auch bei niedrigen Messfrequenzen eine hohe Sensitivität erreicht werden kann, bei Ladungsträgerkonzentrationen in der Dotierschicht von 1,0 bis 1,5 × 10¹² cm^-2 liegt, was hier beispielhaft bei Gate-Spannungen von -15 V bzw. +5 V und einem Strom I von 30 µA erreicht wird.
3 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines Zusammenhangs zwischen einer Ladungsträgerdichte m (cm^-2) eines Elektrets zur Verwendung in einem Schichtverbund gemäß einem Ausführungsbeispiel und einer Ausheiztemperatur T (°C) des Elektrets, hier beispielhaft einer etwa 30 nm dicken Siliziumnitridschicht mit einem Brechungsindex von 1,9, anhand einer Kurve 300.
Die Ladungsträgerdichte, die im Elektret dauerhaft gespeichert ist, ist durch die Temperatur beim Ausheizen der entsprechenden Schicht einstellbar, auch post deposition annealing genannt. Das positiv geladene Siliziumnitridelektret ist beispielsweise mittels plasmaunterstützter, chemischer Gasphasenabscheidung, auch inductive coupled plasma chemical vapor deposition oder kurz ICP-CVD genannt, hergestellt.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Schichtverbunds 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel mit negativ geladener Elektretschicht 400. Bei dem Schichtverbund 102 handelt es sich beispielsweise um den vorangehend anhand von 1 beschriebenen Schichtverbund. Die Elektretschicht 400, für die beispielsweise die anhand der 2 und 3 beschriebenen Zusammenhänge zutreffen, weist hier eine negative Polarisation auf und ist dementsprechend beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) gefertigt. Die Dotierschicht 104 ist auf eine Substratschicht 402, beispielsweise aus Silizium, aufgebracht. Eine Isolierschicht 404, beispielsweise aus Bornitrid oder Siliziumdioxid, isoliert die Dotierschicht 104 elektrisch von der Substratschicht 402.
Beispielhaft ist in 4 ein Schichtaufbau einer durch die Dotierschicht 104 gebildeten Graphenstruktur gezeigt, die durch die negative Elektretschicht 400 p-dotiert ist.
Bei der Abscheidung der Elektretschicht 400 auf der Dotierschicht 104 bildet die Elektretschicht 400 aufgrund ihrer Ladungen Spiegelladungen in der Dotierschicht 104, die zu einer konstanten Ladungsträgerkonzentration in der Dotierschicht 104 führen, wobei die Ladungsträgerkonzentration und -polarität in der Dotierschicht 104 von der Ladungsträgerdichte in der Elektretschicht 400 abhängt.
Da die Dotierschicht 104 sehr empfindlich auf Grenzflächendefekte reagiert und die Elektretschicht 400 gegebenenfalls keine perfekte Grenzfläche zur Dotierschicht 104 bildet, ist optional eine zusätzliche Passivierschicht 600 zwischen der Elektretschicht 400 und der Dotierschicht 104 eingefügt, die die Eigenschaften der Dotierschicht 104 nicht negativ beeinflusst, beispielsweise hexagonales Bornitrid, wie dies in 6 gezeigt ist.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Schichtverbunds 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu 4 ist die Elektretschicht 400 hier positiv geladen. Dementsprechend ist die Dotierschicht 104 n-dotiert.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Schichtverbunds 102 mit der Passivierschicht 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel, wie sie vorangehend im Zusammenhang mit 4 erwähnt wurde. Die Passivierschicht 600, beispielsweise aus Bornitrid, ist zwischen der Elektretschicht 400 und der Dotierschicht 104 angeordnet, um Grenzflächendefekte an der Oberfläche der Dotierschicht 104 zu verringern. Das gleiche Prinzip kann auch für negativ geladene Elektretschichten angewendet werden.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 700 zum Herstellen eines Schichtverbunds zum elektrostatischen Dotieren einer zweidimensionalen Dotierschicht, etwa eines vorangehend anhand der 1 bis 6 beschriebenen Schichtverbunds, umfasst einen optionalen Schritt 710, in dem die Dotierschicht zunächst auf einer geeigneten Substratschicht, beispielsweise aus Silizium, abgeschieden wird. In einem weiteren Schritt 720 wird die Elektretschicht in einem geeigneten Fertigungsverfahren, beispielsweise durch chemische Gasphasenabscheidung, Atomlagenabscheidung oder Sputtern, auf der Dotierschicht abgeschieden, um den Schichtverbund herzustellen.
Die Elektretschicht wird im Schritt 720 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgeheizt. Die Ladungsträgerdichte der Elektretschicht, und somit auch die davon abhängige Ladungsträgerdichte der Dotierschicht, wird dabei abhängig von der gewählten Ausheiztemperatur eingestellt.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 800 zum Herstellen eines Schichtverbunds gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 800 kann beispielsweise zum Ausführen, Ansteuern oder Umsetzen des vorangehend anhand von 7 beschriebenen Verfahrens ausgebildet sein. Hierzu umfasst die Vorrichtung 800 eine optionale erste Einheit 810 zum Abscheiden der Dotierschicht auf der Substratschicht. Eine zweite Einheit 820 ist ausgebildet, um ansprechend auf das Abscheiden der Dotierschicht die Elektretschicht auf die Dotierschicht aufzubringen.
9 zeigt eine schematische Darstellung einer Struktur 900 zum elektrostatischen Dotieren einer Graphenschicht 902 über ein Floating Gate 904. Dabei handelt es sich um einen Halbleiter, beispielsweise Silizium, oder ein Metall, das in eine Isolationsschicht 906, etwa aus Siliziumdioxid, vollständig von der Graphenschicht 902 und einem oberen Metallkontakt 908 isoliert ist. Die Isolationsschicht 906 ist zwischen dem oberen Metallkontakt 908 und dem Floating Gate 904 so dünn, dass ein Tunneln von Ladungsträgern vom oberen Metallkontakt 908 auf das Floating Gate 904 möglich ist. Der Abstand beträgt beispielsweise 3 bis 20 nm.
Durch die Floating-Gate-Strukturen ist es möglich, die Dotierung der Graphenschicht 902 gezielt einzustellen. Vorteilhafterweise kann dadurch die Ladungsträgerkonzentration in der Graphenschicht 902 auch nach der Bauelementherstellung noch verändert werden, ohne dass im Betrieb hohe Spannungen benötigt werden. Dabei werden durch quantenmechanisches Tunneln Ladungen in das Floating Gate 904 eingebracht, die die elektrostatische Dotierung der Graphenschicht 902 sicherstellen. Die Dotierung kann über die Anzahl der auf das Floating Gate 904 übertragenen Ladungsträger eingestellt, kontrolliert und gegebenenfalls nachjustiert werden. Diese Kontrolle kann über die Höhe und Dauer der Spannungspulse beim Beschreiben des Floating Gate 904 erreicht werden. Durch die Polung des Schreibpulses kann die Art der elektrostatischen Dotierung, d. h. Löcher oder Elektronendotierung, eingestellt werden.
Durch die Ladungsträgerkontrolle im Floating Gate 904 kann bei einem Langzeitdrift des Sensors die Ladungsträgerkonzentration über das Laden des Floating Gate 904 nachgeführt werden, können Sensorvariationen zwischen einzelnen Bauelementen nach der Herstellung ausgeglichen werden oder Sensoreigenschaften wie etwa eine Empfindlichkeit nachträglich je nach Messanforderung angepasst werden, wobei für den Hall-Widerstand gilt: R_H = 1/ne.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer Struktur 900 aus 9 bei anliegender Schreibspannung U_S . Durch Anlegen der Schreibspannung U_s , die in 9 gleich null ist, werden Ladungsträger 1000 auf das Floating Gate 904 getunnelt, wie in 10 gezeigt. Die Ladungsträger 1000 verbleiben nach Abschalten der Schreibspannung U_S auf dem Floating Gate 904 und führen zu Spiegelladungen 1100 im Graphen, wie in 11 gezeigt. Damit kann durch Variation des Schreibspannungspulses in seiner Höhe und Dauer die Ladung auf dem Floating Gate 904 und damit die Ladungsträgerkonzentration in der Graphenschicht 902 gezielt eingestellt oder nachgeregelt werden.
11 zeigt eine schematische Darstellung einer Struktur 900 aus 9 nach Abschalten der Schreibspannung Us.
12 zeigt eine schematische Darstellung einer Struktur 900 zum elektrostatischen Dotieren einer Graphenschicht 902 über ein Floating Gate 904 mit voneinander isolierten Quantenpunkten 1200, etwa aus Silizium. Gezeigt ist eine Variante einer Floating-Gate-Struktur zum elektrostatischen Dotieren der Graphenschicht 902. Dabei besteht das Floating Gate 904 aus den voneinander isolierten Quantenpunkten 1200, die zu einer deutlich erhöhten Speicherzeit der Ladungen im Floating Gate 904 und zu einer erhöhten Lebensdauer, d. h. zu einer erhöhten Anzahl möglicher Schreibzyklen, führen.
Des Weiteren bietet sich auch bei der Floating-Gate-Lösung die Möglichkeit, eine zusätzliche Passivierschicht zwischen Floating-Gate-Schichtstapel und der Graphenschicht 902 einzufügen, etwa aus hexagonalem Bornitrid, wie in 13 gezeigt.
13 zeigt eine schematische Darstellung einer Struktur 900 aus 9 mit zusätzlicher Passivierschicht 1300, beispielsweise aus Bornitrid, die an der Grenzfläche zur Graphenschicht 902 angeordnet ist.
14 zeigt eine schematische Darstellung einer Variante einer Struktur 900 zur elektrostatischen Graphendotierung mittels eines polarisierbaren, ferroelektrischen Materials 1400, beispielsweise Bariumtitanat (BaTiO₃). Durch das ferroelektrische Material 1400 ist die elektrische Polarisation kontrolliert einstellbar und es kann wiederum eine bestimmte Ladungsträgerkonzentration in der Graphenschicht 902 induziert werden.
15 zeigt eine schematische Darstellung einer Struktur 900 aus 14 bei anliegender Schreibspannung U_S . Durch Anlegen der Schreibspannung Us wird das ferroelektrische Material 1400 elektrisch polarisiert. Diese Polarisation verbleibt nach Abschalten der Schreibspannung U_S und führt zu Spiegelladungen in der Graphenschicht 902, wie in 16 gezeigt. Durch Variation des Schreibspannungspulses in seiner Höhe kann in gewissen Grenzen die Stärke der Polarisation und damit die Ladungsträgerkonzentration in der Graphenschicht 902 gezielt eingestellt oder nachgeregelt werden.
16 zeigt eine schematische Darstellung einer Struktur 900 aus 14 nach Abschalten der Schreibspannung U_S .
In einer zusätzlichen Variante wird nach Programmierung des Floating Gate 904 bzw. der Variante mit dem ferroelektrischen Material 1400 zur Einstellung der bestimmten Ladungsträgerkonzentration durch sehr kleine Spannungsänderungen am Gatekontakt des Floating Gate 904 die Ladungsträgerkonzentration in der Graphenschicht 902 in sehr feinen Schritten auf die Anforderungen an die Sensoreigenschaften angepasst. Das erweitert die Möglichkeiten bezüglich der Kontrolle der Ladungsträgerkonzentration in der Graphenschicht 902 in Bezug auf die Feinabstimmung dieses Wertes.
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 102015203040 A1 [0006]

Claims

Schichtverbund (102) zum elektrostatischen Dotieren einer zweidimensionalen Dotierschicht (104), wobei der Schichtverbund (102) folgendes Merkmal aufweist: eine mit der Dotierschicht (104) zu dem Schichtverbund (102) verbundene Elektretschicht (400) mit einer definierten Ladungsträgerdichte und/oder einer definierten Polarität, wobei die Elektretschicht (400) ausgebildet ist, um durch elektrostatische Wechselwirkung mit der Dotierschicht (104) eine Ladungsträgerdichte der Dotierschicht (104) abhängig von der definierten Ladungsträgerdichte auf einen definierten Wert einzustellen und/oder die Dotierschicht (104) abhängig von der definierten Polarität zu polarisieren.
Schichtverbund (102) gemäß Anspruch 1, bei dem die Elektretschicht (400) mit einer Graphenschicht als Dotierschicht (104) zu dem Schichtverbund (102) verbunden ist.
Schichtverbund (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Elektretschicht (400) Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid und/oder Aluminiumoxid und/oder Aluminiumfluorid und/oder Aluminiumnitrid und/oder Aluminiumoxynitrid und/oder Titandioxid als Schichtmaterial aufweist.
Schichtverbund (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Elektretschicht (400) ausgebildet ist, um die Ladungsträgerdichte der Dotierschicht (104) auf einen Wert zwischen 1 × 10¹² cm^-2 und 2 × 10¹² cm^-2 einzustellen.
Schichtverbund (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer zwischen der Dotierschicht (104) und der Elektretschicht (400) angeordneten Passivierschicht (600).
Schichtverbund (102) gemäß Anspruch 5, bei dem die Passivierschicht (600) Bornitrid als Schichtmaterial aufweist.
Schichtverbund (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Elektretschicht (400) als elektrisch aufladbare Schicht und/oder als Schicht ausgestaltet ist, bei der eine Ladungsträgerdichte veränderbar ist.
Schichtverbund (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Elektretschicht (400) zumindest eine isolierte Ladungsinsel aufweist, die eine Ladungsträgerdichte aufweist, die sich von einer Ladungsträgerdichte in einer Umgebung der Ladungsinsel unterscheidet.
Hall-Sensor (100) mit einem Schichtverbund (102) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren (700) zum Herstellen eines Schichtverbunds (102) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verfahren (700) folgenden Schritt umfasst: Aufbringen (720) der Elektretschicht (400) auf die Dotierschicht (104), um den Schichtverbund (102) herzustellen.
Verfahren (700) gemäß Anspruch 10, bei dem im Schritt des Aufbringens (720) die Elektretschicht (400) mittels Atomlagenabscheidung und/oder chemischer Gasphasenabscheidung und/oder Sputtern auf die Dotierschicht (104) aufgebracht wird, insbesondere wobei die Elektretschicht (400) ausgeheizt wird und die definierte Ladungsträgerdichte der Elektretschicht (400) abhängig von einer Temperatur beim Ausheizen eingestellt wird.
Vorrichtung (800) mit Einheiten (810, 820), die ausgebildet sind, um das Verfahren (700) gemäß Anspruch 10 oder 11 auszuführen und/oder anzusteuern und/oder umzusetzen.
Computerprogramm, das ausgebildet ist, um das Verfahren (700) gemäß Anspruch 10 oder 11 auszuführen und/oder anzusteuern und/oder umzusetzen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.