DE10325150A1 - Parametrierte Halbleiterverbundstruktur mit integrierten Dotierungskanälen, Verfahren zur Herstellung und Anwendung davon - Google Patents

Parametrierte Halbleiterverbundstruktur mit integrierten Dotierungskanälen, Verfahren zur Herstellung und Anwendung davon Download PDF

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Dietmar Dipl.-Phys. Dr. Fink
Kurt Dipl.-Ing. Hoppe
Alexander Dipl.-Phys. Petrov
Wolfgang Prof. Dr. Fahrner
Alexander Dipl.-Phys. Dr. Ulyashin
Bernhard Prof. Dr.-Ing. Stanski
Ulrich Prof. Dr.-Ing. Sandkühler
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Abstract

Zur ausschließlichen Realisierung eines ohmschen Kontaktes weist eine bekannte, in ihrer Dotierung parametrierte Halbleiterverbundstruktur vertikale Dotierungskanäle mit einem Metallbelag auf. Zur Erzielung größter Flexibilität bei gleichzeitig maximaler Universalität weist die parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung (TOSCA) als Dotierungskanäle nanoskalierte Poren (VP) und einen hochohmigen Belag aus elektrisch leitfähigem Material (ECM) auch zwischen den Poren (VP) auf der Oberfläche der Schicht (EIL) aus einem elektrisch isolierenden Material auf, wobei ein elektrischer Widerstand erzeugt wird, der eine Migration von zusätzlichen Ladungsträgern vertikal in der Halbleiterverbundstruktur (PSC) unterstützt, horizontal zwischen den gleichseitigen Elektroden (o, w) aber verhindert. Wesentliche Parameter zur Funktionseinstellung der Halbleiterverbundstruktur (PSC) beziehen sich auf die Ausgestaltung der Poren (VP) und des elektrisch leitfähigen Materials (ECM). Bevorzugt können die Poren (VP) durch Ionenbestrahlung mit anschließender Ätzung erzeugt werden, wobei die Ätzdauer die Porentiefe und den Porendurchmesser bestimmt. Das leitfähige Material (ECM) kann bevorzugt aus leitenden Nanoclustern (DNP) oder feuchteempfindlichen Fullerenen (MOSBIT) bestehen. Anwendungen beziehen sich auf elektronische, optoelektronische, hygroelektronische und sensorische Halbleiterbauelemente mit aktivem und passivem, thermischem, resistivem, kapazitivem, ...

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine parametrierte Halbleiterverbundstruktur mit zumindest einem Halbleitersubstrat mit wählbarer p- oder n-Dotierung und elektrischer Leitfähigkeit und einer angrenzenden Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material mit im Wesentlichen vertikal integrierten Dotierungskanälen, in die ein elektrisch leitfähiges Material mit wählbarer elektrischer Leitfähigkeit eingebracht ist, wobei Ladungsträger in der Halbleiterverbundstruktur migrieren, und einer elektrischen Kontaktierung aus mehreren auf der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material und dem Halbleitersubstrat angeordneten Elektroden, auf ein Verfahren zur Herstellung und auf eine Anwendung davon.
  • Halbleiterverbundstrukturen, realisiert in modernen Halbleiterbauelementen, sind aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Sie finden Einsatz in Datenverarbeitung, Kommunikation, Multimedia und in den meisten Geräten des täglichen Lebens. Die Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen in integrierten Schaltkreisen ermöglicht die heutigen Computer und die moderne Datenkommunikation. Weiterhin wurden Halbleiterverbundstrukturen für Hochgeschwindigkeits- und Optoelektronik entwickelt. Die fortschreitende Miniaturisierung von Halbleiterverbundstrukturen führt aber auch zu neuen Effekten. Aufgrund der geringen Abmessungen von Strukturen mit wenigen Nanometern, kann die direkte Quantisierung der Ladungsträger in diesen Strukturen beobachtet werden.
  • Der Stand der Technik, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, wird in der DE 101 21 011 A1 offenbart. Es wird eine Halbleiterverbundstruktur aus einem p-dotierten Siliziumsubstrat mit einer angrenzenden Siliziumdioxidschicht beschrieben, in die vertikale Dotierungskanäle in Form von durchgehenden Kontaktlöchern als Bitleitungskontakte integriert sind. Die Kontaktlöcher sind mit einem Metall ausgefüllt, so dass Elektronen in das Siliziumsubstrat migrieren können. Die Parametrierung der bekannten Halbleiterstruktur erfolgt über Dotierungs-Implantation. Zur Realisierung von Halbleiterbauelementen, beispielsweise DRAMs, ist eine nicht weiter dargestellte Kontaktierung mit Elektroden vorgesehen. Mit dieser bekannten Halbleiterverbundstruktur werden ausschließlich einfache Ohmsche Kontakte realisiert. Andere Halbleiterbauelemente, insbesondere auch solche mit einer anderen physikalischen Funktionalität, können nicht realisiert werden. Auch alle anderen aus dem Stand der Technik bekannten, ähnlich realisierten Halbleiterstrukturen sind hinsichtlich ihrer Konstruktion, ihrer Baumaterialien und ihres Designs unflexibel, sodass zwischen den einzelnen Halbleiterstrukturen eine große Uneinheitlichkeit und Unterschiedlichkeit besteht. Gleiches gilt auch für die entsprechenden Herstellungsverfahren.
  • Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung besteht deshalb darin, eine parametrierte Halbleiterstruktur der eingangs beschriebenen Art so weiter zu bilden, dass eine große Flexibilität und Universalität hinsichtlich ausbildbarer Halbleiterbauelemente und deren physikalischer Funktionalität entsteht. Dabei soll die Halbleiterverbundstruktur bei allen ausprägbaren Halbleiterbauelementen trotzdem einheitlich in ihrem Aufbau sein und möglichst geringe Unterschiede aufweisen. Trotzdem soll die Halbleiterverbundstruktur einfach und möglichst kostengünstig herstellbar sein, was auch für ein bevorzugtes Herstellungsverfahren gelten soll. Ausgebildete Halbleiterbauelemente sollen dann in ihrem grundsätzlichen Aufbau nur geringfügige Unterschiede aufweisen.
  • Als Lösung für diese Aufgabe ist die gattungsgemäße parametrierte Halbleiterstruktur deshalb dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungskanäle als nanoskalierte Poren mit wählbarer Verteilung in der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material sowie wählbarem Porendurchmesser, Porentiefe und Porenform ausgebildet sind und dass mit dem in die Poren eingebrachten oder mit einem anderen, elektrisch leitfähigen, aber hochohmig ausgeprägten Material auch die Oberfläche der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material unter Erzeugung eines wählbaren elektrischen Widerstands, der eine im Wesentlichen horizontale Migration der Ladungsträger zwischen den auf der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material angeordneten Elektroden verhindert, aber eine im Wesentlichen vertikale Migration der Ladungsträger in der Halbleiterverbundstruktur unterstützt, belegt ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Halbleiterverbundstruktur wird die angestrebte Flexibilität bezüglich einer Realisierung von Bauelementen ausschließlich über die Parametrierung der neuen Struktur erreicht, wodurch eine große Einheitlichkeit zwischen den realisierbaren Bauelementen entsteht. Dabei soll unter dem Begriff „Parametrierung" die wählbare Einstellung verschiedener Parameter der Struktur verstanden werden. Die erfindungsgemäße Halbleiterverbundstruktur ist als einheitliches Ausgangsmaterial in einer Grundanordnung universell anwendbar. Durch die wählbare Einstellung der inneren Strukturparameter, wie beispielsweise Schichtdicke und Substratdotierung, können bekannte Auswirkungen hervorgerufen werden. Durch die Anzahl und Anordnung der Elektroden können unterschiedliche Bauelemente auch in elektrisch gekoppelter Form, beispielsweise mehrstufige logische Bauelemente konzipiert werden. Durch die Wahl der angelegten Spannung, des eingespeisten Stroms oder der herrschenden Temperatur als äußere Beaufschlagungsparameter können die Kennlinien und der partielle Arbeitspunkt der Halbleiterverbundstruktur eingestellt werden. Die wesentlichen Parameter mit einem großen Einfluss auf das funktionelle Verhalten der Halbleiterverbundstruktur stellen bei der Erfindung jedoch insbesondere die geometrischen Ausbildungen und Verteilung der Poren und der elektrisch leitfähigen Beschichtung dar. Dieser Einfluss erstreckt sich sogar auf die physikalische Funktionalität der erfindungsgemäßen Halbleiterstruktur, sodass sowohl ein elektronisches als auch ein optoelektronisches und/oder ein sensorisches Verhalten ausgeprägt werden kann, ohne dass die große Einheitlichkeit der erfindungsgemäßen Halbleiterverbundstruktur verloren geht. Die Bedeutung dieser Parameter kann unterstrichen werden, wenn die erfindungsgemäße Halbleiterstruktur als „TOSCA"-Struktur bezeichnet wird, wobei TOSCA das Akronym aus der Bezeichnung „Tracks in Oxide on Silicon for Charge Applications" darstellt. Aus dieser Bezeichnung wird klar ersichtlich, dass die Poren („Tracks") in der elektrisch isolierenden Schicht (speziell Oxidschicht) das wesentlich Neue an der erfindungsgemäßen Halbleiterstruktur sind, durch welche Ladungsträger aus dem darunterliegenden Substrat (speziell Silizium) extrahiert oder in dasselbe injiziert werden. Das flexible Funktionsverhalten, insbesondere auch das Schaltverhalten, der erfindungsgemäßen Halbleiterverbundstruktur zeichnet sich speziell durch die Anwendung dieser zusätzlichen Ladungsträger, neben den influenzierten Ladungsträgern der klassischen Halbleiterverbundstruktur, aus, wobei es sich bei den zusätzlichen Ladungsträgern sowohl um komplementäre Ladungsträger als auch um gleichartige handeln kann. Dabei wird die Migration der zusätzlichen Ladungsträger bei der erfindungsgemäßen Halbleiterverbundstruktur erfindungswesentlich nicht nur von den Poren, sondern insbesondere auch von der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht zwischen den einzelnen Poren und zu dieser hin ermöglicht. Hier ist erfindungsgemäß ebenfalls ein Belag aus elektrisch leitfähigem Material vorgesehen, der allerdings aufgrund seiner Hochohmigkeit, die durch das Material selbst oder durch dessen Verteilung herbeigeführt werden kann, einen so hinreichend großen Widerstand zwischen den Elektroden ausprägt, dass nur die angesprochene zusätzliche Migration ermöglicht wird, Kurzschlüsse zwischen den Elektroden aber sicher verhindert werden. Eine alternative Niederohmigkeit auf der Oberfläche würde einen Kurzschluss zwischen den Elektroden herbeiführen, sodass die Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung keine Funktion erfüllen könnte. Hingegen ist eine Niederohmigkeit in den Poren akzeptabel, wobei die ausführbare Funktion dann direkt von der genauen Größenordnung des gebildeten Widerstandes abhängt: Wenn der Widerstand klein genug ist, kann eine inverse Halbleitercharakteristik hervorgerufen werden, die auch bei der Ausprägung von Poren mit sehr großem Durchmesser auftritt. Andererseits ergibt sich bei einem sehr kleinen Porenwiderstand: ein direkter Kurzschluss zwischen der Oberfläche und dem leitenden Substrat, sodass das Oberflächenpotenzial durch die Poren direkt an das des leitenden Substrats gekoppelt wird. Wenn der Obertlächenwiderstand größer als der Substratwiderstand ist, was der Normalfall ist, dann wird die elektronische Funktion der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung im Wesentlichen nur durch den Substratwiderstand bestimmt, sodass hier die Funktion eines durch den Basiskontakt steuerbaren Widerstandes erreicht wird.
  • Neben dem Vorteil der umfassenden Parametrierung der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung zur Erzielung größter Verwendungsflexibilität besteht auch noch der Vorteil der extremen Strahlungshärte. Aus der Halbleiterverbundstruktur hergestellte Bauelemente sind daher gegen Strahlungseinflüsse resistent. Wenn ein energiereiches Teilchen, z.B. aus der kosmischen Strahlung oder der hochenergetischen Komponente des Sonnenwindes, die schmale Oxidschicht einer FET-Struktur durchdringt, erzeugt es eine Spur von Ladungen entlang seines Bewegungspfades, der dadurch elektrisch leitend wird. Dadurch können Durchbrüche stattfinden, die den Transistor wegen der sehr hohen fließenden Ströme und der damit verbundenen Temperaturspitzen zerstören können. Daher wird mit Nachdruck an der Erhöhung der Strahlungsfestigkeit von Dioden und Transistoren für die Raumfahrt, in Reaktor-, militärischen oder Hochleistungsumgebungen (z.B. Hochgeschwindigkeitszügen) gearbeitet. Ein Grund für die Strahlungsfestigkeit ist in dem bereits ursprünglichen Vorhandensein einer Vielzahl der mit einem elektrisch leitenden Material ausgekleideten Poren gebildeten elektrischen Leitungspfade (typischerweise ca. 107/cm2) durch die dielektrische Schicht der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung zu sehen, sodass ein einzelner weiterer strahlungsinduzierter Pfad keine wesentliche Veränderung hervorruft. Zwar ist ein solcher neuer Pfad vorübergehend wesentlich leitfähiger als die Ionenpfade der Halbleiterverbundstruktur mit ihrer hochohmigen Füllung, aber die zusätzliche, elektrisch leitende Oberflächenschicht mit ihrem hohen Widerstand wirkt automatisch als Strombegrenzer, sodass Kurzschlussströme verhindert werden. Der einzige sichtbare Effekt ist eine leichte und vorübergehende Änderung der Strom-Spannungs-Charakteristik des Bauelements. Selbst wenn ein solches Durchbruchereignis zu einem dauerhaften Kurzschluss führt, bedeutet dies lediglich, dass die genannte leichte Änderung in der Charakteristik dauerhaft bestehen bleibt. Auf Grund der „Pufferung" der internen Stromkreise durch die vielen hochohmigen Verbindungen in der Oberfläche und den Poren wird ein bedeutsamer Nachteil konventioneller Strukturen sicher vermieden.
  • Aus dem Stand der Technik sind zwar Halbleiterverbundstrukturen mit einem zur Erfindung ähnlichen Aussehen bekannt, die Funktionalität zeigt jedoch die grundsätzliche andere Bedeutung des Strukturaufbaus. Die große Flexibilität und Universalität wie bei der Halbleiterstruktur nach der Erfindung wird jedoch bei keiner der bekannten Strukturen erreicht. Beispielsweise ist aus der US 6,201,291 B1 eine Verbundstruktur bekannt, die metallische Leitspuren in einer elektrisch isolierenden SiO2-Schicht aufweist, die auf einem Halbleiterkörper angeordnet ist. Diese Anordnung dient jedoch ausschließlich der elektrischen Verbindung verschiedener, in den Halbleiterkörper integrierter Bauelemente. In die SiO2-Schicht integrierte Diffusionsbarrieren dienen dabei speziell der Unterbindung der Ladungsträgermigration in den Halbleiterkörper. Weiterhin ist aus der WO 02/08900 A2 eine ähnliche Halbleiterverbundstruktur bekannt, bei der ebenfalls Leitspuren in eine elektrisch isolierende Schicht auf einem Halbleiterköper aufgebracht sind. Auch hier dienen die Leitspuren ausschließlich der rein Ohmschen Verbindung von in den Halbleiterkörper integrierten elektronischen Schaltkreisen. Ähnliche Strukturen sind auch bekannt für die vertikale Verbindung mehrere Schaltungsebenen. Desweiteren ist ein ähnlicher Verbundschichtaufbau aus dem Bereich der Biosensoren bekannt (vergleiche Veröffentlichung I von H. Lüth et al. „Biochemical sensors with structured and porous silicon capacitors", Materials Science and Engineering B69-70 (2000) 104–108, oder Veröffentlichung II von M.J. Schöning et al. „Recent advances in biologically field-effect transistors (BioFETs)", Analysts, 2002, 127, 1137–1151). In diesen Veröffentlichungen werden aber prinzipiell klassische Transistorkonzepte (z.B. FET) vernetzt, die sich nur durch Zusätze bei der Gate-Elektrode durch deren Einbringen in einen Elektrolyten, in dem unterschiedliche pH-Werte herrschen (ion-selective FET = ISFET), vom klassischen Konzept unterscheiden. Die in der Erfindung beanspruchte Halbleiterverbundstruktur hingegen ist aufgrund der parametrierten Poren und der Beschichtung zwischen den Poren wesentlich komplexer als die klassische FET-Struktur. Desweiteren wird in der Veröffentlichung II poröses Silizium für Sensorzwecke in Transistoren eingesetzt. Dabei erfüllen die unregelmäßigen Poren aber nicht den gleichen Zweck wie die Poren bei der Erfindung. Die Oberfläche des bekannten porösen Siliziums ist vielmehr stets mit SiO2 und Si3N4 beschichtet, sodass auf diese Weise eine dünne, gefaltete Kondensator-Struktur (Halbleiter-Isolator-Halbleiter) entsteht, die eine sehr große Fläche hat. Abgelagertes Material z.B. biologischer Natur auf der Oberfläche des Si3N4 verändert dessen Oberflächenladung. Dadurch wird bei festgehaltener Spannung die Kapazität des Kondensators erhöht. Diese Erhöhung wird entweder direkt gemessen oder zum Ansteuern eines klassischen FETs genommen. Somit dienen die sich im Substratmaterial (Si) befindenden Poren bei der bekannten Struktur nicht der Ladungsträgerinjektion oder -extraktion.
  • Die Ausprägung des Belags aus elektrisch leitfähigen hochohmigem Material in und zwischen den Poren bei der Erfindung stellt eine Reihe von verschiedenen Parametern zur Verfügung, die für das funktionelle Verhalten der erfindungsgemäßen Halbleiterverbundstruktur verantwortlich sind. Dabei spielt zur Erreichung der vorgegebenen Potenzialverhältnisse die Verteilung des Materials eine große Rolle. Je nach Anwendungsfall kann das elektrisch leitende Material eine durchgehend oder strukturiert flächige oder insel- oder punktförmige Verteilung aufweisen, wobei auch Mischformen möglich sind. Bei einer Ausgestaltung der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung ist vorteilhaft vorgesehen, dass das elektrisch leitfähige Material in Form von Nanoclustern mit wählbarer Größe ausgebildet und mit wählbarer Dispersionsdichte in die Poren eingebracht sowie auf die Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material aufgebracht ist. Cluster lassen sich relativ einfach herstellen und in ihrer Größe und Zusammensetzung einfach variieren. Durch ihre Verteilung können vorgegebene Potenzialverhältnisse einfach eingestellt werden. Ein größerer Abstand der Cluster zueinander ruft einen großen Ohmschen Widerstand hervor, der insbesondere das Fließen von Kurzschlussströmen verhindert, wohingegen eine hohe Clusterdichte einen geringen Ohmschen Widerstand mit einer hohen Ladungsdichte bedingt, der eine optimale Migration von Ladungsträgern ermöglicht. Die Parameter bei der Verwendung von Clustern sind also deren Größe, deren Zusammensetzung und deren Verteilung. Dabei ist der Einfluss der unterschiedlichen Parameter auf das funktionelle Verhalten der Halbleiterverbundstruktur für den Fachmann leicht nachvollziehbar und in den verschiedenen Anwendungen realisierbar. Ein Belag mit besonders homogenen Eigenschaften ergibt sich, wenn gemäß einer nächsten Erfindungsfortführung alle Nanocluster des elektrisch leitfähigen Materials in demselben gewählten Größenbereich liegen. Durch diese nanodisperse Erscheinungsform kann eine homogene Verteilung der Cluster ohne gegenseitige Berührung einfach realisiert werden, sodass auch entsprechend homogene Eigenschaften hervorgerufen werden können. Es eignet sich hierzu jedes genügend hochohmige elektrisch leitfähige Material. Im Falle zu hoher intrinsischer Leitfähigkeit, d.h. falls das Material bei direkter Anwendung Kurzschlüsse verursachen würde, wie z.B. bei Metallen, lässt sich die Leitfähigkeit gezielt dadurch herabsetzen, dass das Material nicht homogen, sondern in Form räumlich voneinander getrennter dispenser Cluster aufgebracht wird. Dann wird die Leitfähigkeit des Materials durch Schottky-Emission, Tunneling o.ä. verursacht und liegt um sehr viele Größenordungen unter der ursprünglichen Leitfähigkeit bei einem homogenen Auftrag. Gemäß einer weiteren Erfindungsausgestaltung ist es dabei besonders vorteilhaft, wenn das elektrisch leitfähige Material ein dispers verteiltes Metall (beispielsweise Silber, Wolfram, Kupfer oder Aluminiumkupfer), eine Halbleiterverbindung, (beispielsweise ein III/V-Halbleiter wie GaAs oder ein II/IV-Halbleiter wie CdS), ein Kohlenstoffallotrop (beispielsweise Diamant, Graphit, graphitähnlicher Kohlenstoff, amorpher Kohlenstoff und Fulleren (Buckyballs und Buckytubes)), ein oxidischer Halbleiter (beispielsweise ZnO, TiO2, SnO), ein leitendes Oxid (beispielsweise ITO (Indium-Zinn-Oxid)) oder eine Mischform davon ist. Auch Ferrofluide sind auf Grund ihrer elektrisch schlecht leitenden kolloiden Struktur einsetzbar. Insbesondere Silber lässt sich besonders einfach in Clusterform abscheiden und stellt eine große Menge zusätzlicher Ladungsträger zur Verfügung. Mischformen aus unterschiedlichen Metallen vereinigen die positiven Eigenschaften der einzelnen Komponenten. Im Fall von genügend geringer Leitfähigkeit, das heißt ausreichender Hochohmigkeit, können an Stelle von dispers verteilten clusterförmigen Leitermaterialien auch durchgehende Schichten sehr hochohmiger Materialien wie Fullerit eingesetzt werden.
  • Weiterhin trägt der Belag aus elektrisch leitfähigem Material auch wesentlich zur Funktionsausprägung der Halbleiterstruktur nach der Erfindung bei. Wenn nach einer nächsten Erfindungsausgestaltung das elektrisch leitfähige Material durch ein für eine spezielle Substanz, insbesondere auch Feuchtigkeit oder Dampf, sensoraktives Material mit elektrischer Leitfähigkeit ergänzt oder ersetzt ist, kann eine sensorische Funktionalität der Halbleiterverbundstruktur ausgeprägt werden, wodurch ein völlig neues Anwendungsgebiet für die Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung erschlossen wird. Durch das Ersetzen oder Ergänzen des elektrisch leitfähigen Materials, beispielsweise in der Ausprägung eines Metall- oder ITO-Belags, durch Sensormaterialien – auch hier sind beliebige Mischformen innerhalb des zusätzlichen Materials und zusammen mit dem elektrisch leitfähigen Material möglich – können geeignete Umwelteinflüsse zu direkten Änderungen des Schaltzustandes der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung führen, ohne dass es dazu noch zusätzlicher Schaltungen bedarf. Als Beispiele können an dieser Stelle genannt werden
    • • Herstellen des elektrisch leitfähigen Belags aus diskreten Palladium (Pd)-Nanokristallen: Da der Ohmsche Widerstand von Pd von der inkorporierten Wasserstoff-Konzentration abhängt, wird die Halbleiterverbund struktur nach der Erfindung in einen Wasserstoffsensor umgewandelt. Die Empfindlichkeit kann dabei noch durch das Aufbringen einer Schicht von ionenbestrahltem und geätztem Polycarbonat gesteigert werden, da dieses ebenfalls wasserstoff-sensorische Eigenschaften besitzt. Für Wasserstoffsensoren ergibt sich beispielsweise eine Anwendungsmöglichkeit bei Wasserstoff-Energiespeichern.
    • • Verwendung eines hochohmigen, elektrisch leitfähigen Belags aus Buckminstertullerit (C60): Da sowohl der Ohmsche Widerstand von C60 als auch die Kapazität von Fullerit-Schichten von Umgebungsfeuchte, Temperatur und optischen Bestrahlungsfluss abhängen, kann die Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung durch Einsatz von Fullerit beispielsweise zu Feuchte-, Temperatur-, Alkohol-, Azeton- und/oder Photodetektoren führen. Die meisten dieser einzelnen Parameter können hierbei nicht nur getrennt, sondern auch gleichzeitig detektiert werden, da sie auf Grund unterschiedlichen Einflusses auf die jeweilige Bauelement-Charakteristik voneinander diskriminiert werden können. Zusätzlich ergibt sich hier noch die Möglichkeit, das entsprechende Bauelement auch als Spannungsquelle (Photozelle, „Hygro-Zelle", „Organo-Zelle") zu betreiben, weil es nach Lichteinstrahlung bzw. nach Beladung mit Feuchtigkeit oder organischen Gasen elektrische Spannungen von etwa + 0.5 V bzw. – 0.5 V aufbaut.
    • • Ebenfalls besteht die Möglichkeit, die Leitfähigkeit des Fullerit-Belages durch Ionenbestrahlung lokal oder vollständig von n- zu p-Leitung umzuwandeln und so die Halbleiterverbundstruktur-Charakteristik durch Einbau zusätzlicher pn-Übergänge gezielt zu tunen. Kombinierte Temperatur- und Feuchtesensoren finden Anwendung bei sehr vielen elektrischen und elektronischen Geräten und Maschinen in Industrie und Haushalt in Feuchträumen, wie z.B. bei Waschmaschinen, Klimaaggregaten, Pumpen, auf Schiffen, in Schwimmbädern, chemischen Fabriken, usw..
    • • Verwendung eines hochohmigen elektrisch leitfähigen Belags aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen („Buckytubes"): Da sich sowohl der Ohmsche Widerstand als auch die Kapazität einer filzartigen Schicht aus Buckytubes bei deren mechanischer Deformation ändert, besteht hier die Möglichkeit, die Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung in Druck-, Akustik- und Bewegungssensoren anzuwenden. Derartige Sensoren finden z.B. Anwendungen in der Vakuum- und Hochdrucktechnik, Tonindustrie, Medizin, und Autoindustrie. Auf Grund der Möglichkeit, Buckytubes auch als Transistoren oder Lichtemitter einzusetzen, gibt es hier in Kombination mit der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung noch weitere Anwendungen.
    • • Inkorporation von unbestrahltem oder bestrahltem Phthalocyanin (Ptc)-Schichten in den elektrisch leitfähigen Belag. Damit kann die Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung je nach Auslegung der Ptc-Schichten als Sensoren für Alkohol, Methan, Erdgas u.ä. angewendet werden. Es ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten in der Erdgasindustrie von Förderungs- bis Haushaltsphase.
    • • Belegung der inneren Wand geätzter längerer, schräg implantierter Ionenspuren als Poren (vergleiche weiter unten) mit einem elektronenvervielfachenden Material wie z.B. Cäsiumjodid. Damit können die geätzten Ionenspuren als Photomultiplier eingesetzt werden, sodass mit der entsprechenden Halbleiterverbundstruktur eine Multikanal-Verstärkerplatte ausgebildet werden kann, wobei sämtliche Dimensionen um ein bis zwei Größenordnungen gegenüber den derzeit kommerziell erhältlichen Artikeln herabskaliert werden. Die durch die geätzten Ionenspuren in das leitende Substrat (Silizium-Kanal) auftreffenden Elektronenschwärme werden in der dazugehörigen Bauelementschaltung in analoge elektronische Pulse umgewandelt, sodass das diese dann als Strahlungsdetektor eingesetzt werden kann. Die dramatische Größenreduktion ist besonders bedeutsam für Satellitenanwendungen im Weltraum und für transportable Systeme. Die auf Grund der geringeren Dimensionen reduzierte mittlere freie Weglänge der Elektronen in den Ionenspuren als Elektronenvervielfacherkanäle ermöglicht es, die Ansprüche an das dazugehörige Vakuumsystem zu reduzieren, was zu weiterer Kosten- und Gewichtsersparnis führt. Weiterhin werden dadurch die Zeitdauern der elektronischen Pulse bis in den Picosekunden-Bereich hinein reduziert, sodass mit diesen neuartigen Detektortypen eine besonders schnelle Messelektronik realisiert werden kann.
    • • Zusatz der sensorischen Werkstoffe in verkapselter Form. Wenn gleichzeitig auch die Kontaktierungen gut verkapselt werden, erreichen die herstellbaren Sensoren nach der Erfindung auch in flüssigen Medien, z.B. wässerigen Lösungen, gute Funktionsfähigkeit,. Damit kann der Anwendungsbereich wesentlich erweitert werden.
    • • Inkorporation von flüssigkeitseingebetteten Ferrofluiden oder Magnetit-Nanopartikeln in geätzten Spuren als Poren. Da die Bindung der ferromagnetischen Kolloide zu Ketten oder höhendimensionalen Gebilden und deren Orientierung innerhalb der Ionenspuren empfindlich von extern angelegten Magnetfeldern abhängt, was seinerseits zu resistiven und kapazitiven Änderungen der Halbleiterverbindungsstruktur nach der Erfindung führt, ergibt sich hier die Möglichkeit der Konstruktion eines neuen Typs magnetischer Sensoren. In diesem Fall müssen die flüssigkeitsgefüllten Ionenspuren allerdings noch verkapselt werden. Das kann z.B. durch oberflächlichen Auftrag einer Schicht von Wachs-Nanopartikeln und deren anschließendes Aufschmelzen zu einem kontinuierlichen. hermetisch abschließenden dünnen Film realisiert werden. Auf Grund der geringen Dicke der Wachsschicht ist in diesem Fall zumindest eine hinreichende kapazitive Stromkopplung schon bei Niederfrequenz-Betrieb gewährleistet.
    • • Von besonderem sicherheitstechnischen Interesse sind außerdem elektrisch leitfähige Beläge für schaltbare chemische, biologische und medizinische Erkennungs- und Abwehrsensoren, die sich in analoger Weise in das Bauelement mit der parametrierten Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung integrieren lassen. Die entsprechenden Beläge können selbst noch sehr hochohmig sein, was die Auswahl der in Frage kommenden Materialien erheblich erweitert.
    • • Durch parallelen Einsatz geeigneter Sensormaterialien in einem gemeinsamen, die Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung aufweisenden Bauelement, kann eine gleichzeitige Messung vorgegebener Messgrößen (beispielsweise Temperatur, Druck, Feuchte, Licht oder Chemikalien) sowohl auf resistivem als auch auf kapazitivem Wege durchgeführt werden. Aus dem Stand der Technik (vergleiche Veröffentlichung III von J. Wang et al. „Dual amperometric-potentiometric biosensor detection system for monitoring organophosphorus neurotoxins", Analytica Chimica Acta 49 (2002) 197–203) ist lediglich eine alternative resistive oder kapazitive Messung mit zwei verschiedenen Messanordnungen bekannt, bei der bei Bedarf die beiden getrennten Messwege miteinander verglichen werden, um so über Koinzidenz eine bessere Ansprechempfindlichkeit zu erzielen.
  • Die prinzipielle Arbeitsweise eines möglichen biologischen Sensors mit der parametrierten Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung kann beispielsweise folgendermaßen erfolgen. Licht von speziellen fluoreszierenden Molekülen, z.B. von konjugierten Polymeren, die an die Struktur gebunden werden, wird durch bestimmte integrierte Moleküle („Quencher") unterdrückt. Kommt ein passendes biologisches Molekül, z.B. ein Antikörper, in Kontakt mit einem Quencher, so verbindet es sich mit jenem und verlässt mit ihm zusammen das fluoreszierende Molekül, das dann zu leuchten anfängt. Durch Wahl eines Fluoreszenz-Moleküls in einem für die elektrisch isolierende Schicht, passenden Wellenlängenbereich und durch den Einsatz speziell von Siliziumoxynitrid-Schichten (im Folgenden als „SiON" bezeichnet) lässt sich die Photolumineszenz von SiON ausnutzen, sodass eine verstärkte Lichtemission einsetzt, die die biologische Detektionsempfindlichkeit weiter steigert. Der Gesamtwirkungsgrad der Photozelle wird entsprechend gesteigert. Nach erfolgter Detektierung muss dieser Sensor-Typ allerdings durch Binden an neue Quencher-Moleküle wieder aktiviert werden. Zur Realisierung in Bauelementen mit der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung werden konisch geätzte Ionenspuren größeren Außendurchmessers (>> 1 μm) im SiON vorgeschlagen, an deren Innenwände die Fluoreszenzmoleküle gebunden werden können und an die die biologischen Moleküle innerhalb ihres Zellverbandes vorübergehend andocken können. Die konisch zulaufende Struktur der Spuren bewirkt andererseits, dass an der Grenzfläche zur Substratschicht, beispielsweise Silizium, das erzeugte Fluoreszenzlicht konzentriert wird, sodass eine hohe Photoeffizienz erzielt werden kann.
  • Aus dem zuletzt Beschriebenen wird auch die Bedeutung der zweiten großen Parametergruppe deutlich. Hierbei handelt es sich um die Dimensionierung und Verteilung der Poren in der elektrisch isolierenden Schicht. Variiert werden können neben der Verteilungsdichte noch der Porendurchmesser, die Eindringtiefe der Poren in die Schicht (die Poren können durchgängig oder als „Grundloch" gestaltet sein) und die Porenform (die Poren können zylindrisch oder auch konisch verlaufen. Für den Fachmann ist klar, dass sich durch eine entsprechende Auslegung dieser Parameter jeweils unterschiedliche Migrationsverhältnisse ergeben, die zu grundsätzlich anderen Funktionen der Verbundstruktur führen können. Weitere Parameter der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung liegen im Bereich der elektrisch isolierenden Schicht und dem Halbleitersubstrat. Nach einer anderen Erfindungsfortführung ist es vorteilhaft, wenn das elektrisch isolierende Material eine Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumoxynitrid, oder ein Kohlenstoffallotrop oder ein Polymer, insbesondere Photolack oder Kapton, ist. Dabei zeigt SiON insbesondere die bereits angesprochenen besonderen Photolumineszenzeigenschaften, was in der Verwendung zu einer kräftigen Lichtemission infolge Elektrolumineszenz führt. Zu den Kohlenstoffallotropen zählen auch solche mit Fullerenen, die in besonderer Weise dotierbar sind, sowie Diamant- und diamantähnliche Schichten. Photolack oder Kapton stellen eher herkömmliche Isolationsschichten dar, die sich aber einfach strukturieren lassen. Desweiteren kann nach einer nächsten Erfindungsausgestaltung das Halbleitersubstrat sauerstoffarmes Silizium oder Czochralski-Silizium sein. Insbesondere bei letzterem ist seine hohe Kompensationsfähigkeit für Sauerstoff von Bedeutung.
  • Weiterhin kann das Substrat nach den Funktionsvorgaben entsprechend dotiert sein.
  • Viele der bei Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung als elektrisch leitfähigem, aber hochohmig ausgeprägtem Belag und/oder Porenfüllung benutzten Materialien haben Sensoreigenschaften nicht nur für eine physikochemische Größe, sondern für mehrere davon. Deshalb kann es in Zweifelsfällen schwierig sein, ein von einer einzigen Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung in einem Bauelement emittiertes elektrisches Signal eindeutig einer bestimmten Quelle zuzuordnen. In diesen Fällen ist es gemäß einer nächsten Erfindungsausgestaltung vorteilhaft, wenn unterschiedliche parametrierte Bereiche, insbesondere hinsichtlich der Wahl des elektrisch leitfähigen Materials, die jeweils Spektren verschiedener physiko-chemischer Groessen abdecken, benachbart auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat angeordnet sind. Somit können mehrere mit verschiedenen Belägen versehene Halbleiterverbundstrukturen gleichzeitig als Sensoren eingesetzt und deren Signale miteinander verglichen werden. Auch ist es dabei wichtig, auf des Vorzeichen des entsprechenden Sensorsignals zu achten. Die kombinierten Beläge können dann mit einer entsprechenden Auswerteelektronik versehen werden, sodass auf diese Weise Multifunktions-Sensoren ("künstliche Sinnesorgane") entstehen, die ein ganzes Spektrum verschiedener physiko-chemischer Größen gleichzeitig und mit hoher Zuverlässigkeit abzudecken im Stande sind. Ein einfaches Beispiel stellt eine Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung mit Silbercluster-Schichten dar, diese sind nur lichtempfindlich. Eine Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung mit elektrisch leitfähigen, aber hochohmigen Fullerit-Schichten ist hingegen empfindlich auf Licht, Feuchte, Alkohol- und Azetondämpfe, wobei Feuchte zu positiven, Licht und Organodämpfe hingegen zu negativen Signalen führen. Wenn also eine Fulleren-TOSCA, d.h. eine MOSBIT-Struktur ein negatives Signal und gleichzeitig eine Silbercluster-TOSCA-Struktur kein Signal liefert, so kann die Quelle eindeutig mit Organodämpfen identifiziert werden, Lichteinfall als Ursache scheidet aus. Umgekehrt ist bei gleichzeitigem Ansprechen beider Sensoren Lichteinfall mit Sicherheit anzunehmen; die zusätzliche Anwesenheit von Organodämpfen ist nun noch möglich, aber nicht sicher. Ein dritter, hier zu Vergleichszwecken herangezogener Sensor, z.B. Halbleiterverbundstruktur mit SnO-Belag, kann dann zur Entscheidung zu Rate gezogen werden. Wenn dieser anspricht, dann ist außer Lichteinfall auch Alkoholdampf vorhanden. Weiterhin ist es auch möglich, andere Parameter, beispielsweise die Porendichte, bereichsweise zu verändern. Weitere Parametrierungen sind den Ausführungsbeispielen im speziellen Beschreibungsteil und der Tabelle in den Figuren zu entnehmen.
  • Das Verfahren zur Herstellung einer parametrierten Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung umfasst grundsätzlich folgende Verfahrensschritte
    • I. Aufbringen einer Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material auf ein p- oder n-dotiertes Halbleitersubstrat
    • II. Erzeugung von Dotierungskanälen in der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material
    • III. Aufbringen eines Belages aus einem elektrisch leitfähigen Material in den Dotierungskanälen und auf der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material und
    • IV. Aufbringen von Elektroden auf der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material und dem Halbleitersubstrat.
  • Dabei können die einzelnen Verfahrensschritte mit an sich bekannten Methoden durchgeführt werden. Insbesondere der Verfahrensschritt I, in dem eine elektrisch isolierende Oxidschicht durch herkömmliche thermische Oxidation hergestellt werden kann, kann jedoch auch bevorzugt mittels einer Plasma-Chemical-Vapor-Deposition bei einer Prozesstemperatur in einem Temperaturbereich von 200°C bis 300°C durchgeführt werden. Der bei dieser Depositionstechnik, bei der das Material aus dem Plasmazustand abgeschieden wird, moderate Temperaturbereich führt zu einer erheblichen Energieersparnis. Hierbei kann durch genaue Einstellung der Plasma-Parameter die genaue stöchiometrische Zusammensetzung der bevorzugt herzustellenden, lichtemittierenden SiON-Schicht bestimmt werden, was sowohl die gegebenenfalls benötigte Ätzbarkeit als auch die Lumineszenz-Ausbeute bestimmt. Weiterhin wird keine Vakuum- und Reinraumtechnik zur Herstellung der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung benötigt, was sich ebenfalls kostensenkend auswirkt. Die Dotierungskanäle in Verfahrensschritt II können beispielsweise herkömmlich durch maskenbehaftete oder maskenfreie Lithographieverfahren, beispielsweise mit einem Elektronenstrahl, hergestellt werden, wobei hier untere Strukturgrenzen im Bereich von 100 nm erreicht werden. Deshalb kann bevorzugt der Verfahrensschritt II zur Ausbildung von Dotierungskanälen als nanoskalierte Poren mit wählbarer Verteilung in der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material sowie wählbarem Porendurchmesser, Porentiefe und Porenform mittels Bestrahlung der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material mit hochenergetischen Schwerionen durchgeführt werden, wobei die Porenparameter durch die Wahl der Bestrahlungsparametereinstellbar sind. Durch Anwendung von Ionenstrahlung können insbesondere nanoskalierte Poren mit hoher Präzision relativ einfach hergestellt und in industriellem Maßstab vorkonfektioniert werden. Dabei kann zum einen direkt durch die Ionenbestrahlung eine Umwandlung des nichtleitenden Materials in leitendes Material im Bereich der Poren erfolgen, beispielweise bei einer Umwandlung von elektrisch nichtleitendem Kohlenstoff mit sp3-Struktur (Diamantstruktur) in elektrisch leitenden Kohlenstoff mit sp2-Struktur (graphitähnlicher Struktur). Weiterhin kann nach einer vorteilhaften Erfindungsweiterbildung im Verfahren aber auch vorgesehen sein, dass im Verfahrensschritt II zur Ausbildung von Dotierungskanälen ein an die Bestrahlung anschließendes Ätzen der Ionenspuren durchgeführt wird, wobei die Porenparameter durch die Wahl der Ätzparameter, insbesondere der Ätzdauer, einstellbar sind. Damit können die Porenparameter sowohl durch die Bestrahlung als auch durch die Ätzung eingestellt werden.
  • Bei der Bestrahlung der aus einem elektrisch leitenden Substrat und einer elektrisch isolierenden Schicht aufgebauten Struktur, beispielsweise SiO2/Si oder SiON/Si-Strukturen, mit hochenergetischen Schwerionen richtet sich die Wahl der Ionensorte und der Ionenenergie nach der durch das anschließende Ätzen zu erzielenden Spurengeometrie für die herzustellenden Poren. Dabei sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Porenherstellung durch Ionenbestrahlung, für die ein Teilchenbeschleuniger erforderlich ist, durch eine bevorratende Halbzeugherstellung überraschend preiswert – insbesondere auch gegenüber herkömmliche Herstellungsverfahren – durchgeführt werden kann. Beispielsweise ergeben sich bei angenommenen Kosten von 1000 EUR pro Stunde Strahlzeit an einem typischen Schwerionenbeschleuniger mit einem Strahlfluss von 109 Ionen/s für eine Bestrahlung einer Waferscheibe mit 10 cm Durchmesser zur Erzeugung von 107 Ionenspuren pro cm2 Kosten von nur ungefähr 20 Cent. Bei sehr schweren Projektilionen (z.B. Xe, Au) und hohen Energien (ungefähr hunderte von MeV bis einige GeV) können durch anschließende Ätzung in geeigneten Materialien wie SiON Poren mit nahezu zylindrischer Geometrie erzeugt werden, bei Projektilionen mittlerer Ordnungszahl (z.B. Ar, Kr) und geringeren Energien (ungefähr dutzende von MeV bis ungefähr 100 MeV) werden die Ätzstrukturen nadelförmig (konisch) bzw. trichterförmig. Mit sehr leichten Projektilionen ist das Herausätzen besonderer Strukturen nicht möglich. Die Ionenbestrahlung kann, je nach der Anwendung, entweder die ganze Oberfläche bedecken oder mit Hilfe von Lithographie zweidimensional strukturiert werden. Dabei kann die Strukturierung beispielsweise eine Zuordnung der Poren zu den anzubringenden Elektroden auf der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material vorsehen. Das Ätzmittel beim gegebenenfalls nachfolgenden Ätzen der Ionenspuren ist üblicherweise Flusssäure, die Wahl der Ätzmittel-Konzentration und Ätzdauer richtet sich nach dem zu ätzenden Material (beispielsweise SiO2, SION) und dessen genauer chemischer Zusammensetzung. Je nach Anwendung kann die Ionenspur durch Variation der Ätzdauer auf ganzer Länge, d.h. bis hin zur Substrat-Grenzschicht, oder nur teilweise als nadelförmiger Hohlraum angeätzt werden beziehungsweise. kann die Ionenspur auf verschiedene Durchmesser geöffnet werden. Durchdringen die Poren die elektrisch isolierende Schicht nicht vollständig, erfolgt eine Ladungsträgerinjektion primär in die elektrisch isolierende Schicht, was insbesondere bei SiON zu einer erhöhten Lichtausbeute führt. Dieses Konzept ist daher insbesondere für optoelektronische Bauelemente geeignet. Die Ätzdauer bestimmt somit über Porenlänge und -durchmessen die Funktionsweise der daraus entwickelten Strukturen beispielsweise als npn- oder pnp-Transistoren. Daher lassen sich bei der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung erstmals typische Strukturen anders als durch Dotieren mit Fremdatomen herstellen.
  • Das Aufbringen der elektrisch leitfähigen, aber hochohmigen Schicht gemäß Verfahrensschritt III, insbesondere auf die SiO2- bzw. SiON-Schicht und in die geätzten Ionenspuren, kann beispielsweise durch Silber-Bedampfung oder chemische Deposition von Silber oder einem anderen leitfähigen Material erfolgen. Möglich ist auch eine Abscheidung aus der flüssigen Phase über ein entsprechend eingestelltes Kolloid. Beim Aufbringen soll der Belag in seiner Leitfähigkeit so eingestellt sein, dass er einerseits gute Ladungsinjektion durch die Ionenspuren in das darunterliegende Si ermöglicht, andererseits aber einen nicht vernachlässigbaren Widerstand an der Oberfläche aufweist, sodass Mehrfachkontaktierungen an der Oberfläche ohne Kurzschluss zwischen diesen Kontakten möglich sind („Teilleitfähigkeit"). Als geeignete leitfähige Schicht sind z.B. dispers verteilte Nanocluster aus Metall oder leitenden Oxiden, wie Indium-Zinn-Oxid (ITO), möglich – letzteres wegen der Transparenz von ITO speziell für optische Anwendungen. Die teilleitfähige Schicht kann, je nach der Anwendung, entweder die ganze Probe bedecken oder mit Hilfe von Lithographie zweidimensional strukturiert werden. Abschließend wird in Verfahrensschritt IV die hergestellte Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung an den für die gewünschte Funktionsweise strategisch geeigneten Stellen in bekannter Weise kontaktiert und elektrisch verbunden. Je nach der geometrischen Anordnung der Poren, der leitenden Schichten und der elektrischen Kontakte kann somit ein Übergang von der einfachen digitalen Schaltungstechnik auf mehrstufige Logik-Bauelemente erfolgen.
  • Analog zu einer kombinierten Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung mit bereichsweise veränderten Parametern ist es gemäß einer Verfahrensausgestaltung auch vorteilhaft, wenn im Verfahrensschritt III unterschiedliche Beläge aus einem elektrisch leitfähigen Material in den Dotierungskanälen und auf der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material aufgebracht werden. Somit können in ihren Parametern nahezu beliebig gewählte und kontinuierlich und/oder diskontinuierlich verlaufende Halbleiterverbundstrukturen nach der Erfindung hergestellt werden.
  • Ein besondere Vorteil der parametrierten Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung ist ihre erhebliche Universalität und Flexibilität, die zur Ausprägung der unterschiedlichsten Bauelemente, auch mit unterschiedlichen physikalischen Funktionsprinzipien, aber trotzdem zu einem einheitlichen Erscheinungsbild führt. Die neue Halbleiterverbundstruktur ist als einheitliches Ausgangsmaterial für die praktische nanometrische Realisierung von elektronischen und optoelektronischen Basisbauelementen geeignet wie beispielsweise Widerstand, Stromsteuennriderstand, Kapazität, Diode, S-Tunneldiode, Thermowiderstand, Thermokapazität, Optowiderstand, Optokapazität, Fotodiode, Bipolar(foto)transistor, Fotozelle, Leuchtdiode, Hygrowiderstand, Hygrokapazität, Hygrodiode, Hygrozelle, Organogas-Widerstand, Organogas-Kapazität, Organogas-Diode, und Organogaszelle. Eine vorteilhafte Anwendung der parametrierten Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung ist daher gekennzeichnet durch eine Funktion als elektronisches, aktives oder passives Bauelement, insbesondere in einer Ausbildung als Transistor, Kondensator, Widerstand oder Schwingkreis (Hochfrequenzbauelement), als optoelektronisches Bauelement, insbesondere in einer Ausbildung als Lichtemitter oder Lichtdetektor, als hygroelektronische Bauelement, insbesondere in der Ausbildung als Hygrozelle, oder als sensorisches Bauelement, insbesondere in einer Ausbildung als Sensorzelle, oder als Kombination dieser Bauelemente, wobei die jeweilige funktionelle Ausprägung durch die Parametrierung der Halbleiterverbundstruktur, insbesondere durch die Ausprägung der Dotierungskanäle in Form von Poren und dem Belag aus dem elektrisch leitenden Material in Form von Nanoclustern, sowie durch eine partielle Einstellung des Arbeitspunktes durch Variation der Beaufschlagungsgrößen und durch die Anordnung der Elektroden ausgebildet wird. Spezielle Ausführungsbeispiele werden im speziellen Beschreibungsteil gegeben.
  • Grundsätzlich zeigt die Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung nicht nur passive sondern auch aktive Eigenschaften. Bei realisierten elektronischen Bauelementen mit passiven Eigenschaften werden vorhandenen Signale unter üblicher Abschwächung der Signale modifiziert, bei aktiven Bauelementen werden Signale erzeugt und Verstärkerfunktionen generiert. Die Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung zeigt einen echten Transistor-Effekt. Somit kann die Halbleiterverbundstruktur vorteilhaft je nach seiner konstruktiven Auslegung sowohl als aktives als auch als passives elektronisches Bauelement eingesetzt werden. Es gibt Parameterkombinationen (beispielsweise bei: nicht photolumineszentem SiON auf p-Si; Ionenspuren 50 s geätzt, mit Ag-Clustern), die zu Charakteristiken mit stark negativen Widerständen führen. Diese Parameterkombination ist photoresistiv, d.h. Lichteinfall bedeutet Aufstellung der Iv/Vvw-Charakteristik, sodass die Verstärkung stark ansteigt. Von einer kritischen Lichtintensität ab, beispielsweise zwischen Tageslicht und Licht eines 1 mW-Lasers, wird der Widertand positiv und die Verstärkung bricht zusammen. Auf Grund der sehr steilen Charakteristik reagiert das Bauelement also extrem empfindlich auf kleinste Unterschiede in der Lichtintensität, sodass sich hier die Konstruktion eines sehr empfindlichen Photometers anbietet. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind analoge und digitale bidirektionale Verstärker mit der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung als Entdämpfungsglied im Sinne einer Tunnel- oder Esaki-Diode unter Ausnutzung des fallenden Teils des Kennlinienverlaufes. Diese Bidirektionalität stellt einen besonderen Vorteil dar: mit einem herkömmlichen Transistor funktioniert eine Schaltung nur in unidirektional, z.B. vom Mikrofon zum Lautsprecher. Mit einem auf der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung basierenden Bauelement kann auch die umgekehrte Richtung vom Lautsprecher zum Mikrofon genutzt werden. Eine weitere Anwendung, die sich aus der aktiven Verstärkerfunktion ergibt, stellt beispielsweise ein Oszillator dar.
  • Ausbildungsformen der Erfindung werden zu deren weiteren Verständnis nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
  • 1 den prinzipiellen Aufbau der Halbleiterverbundstruktur mit durchgehenden Poren im Querschnitt,
  • 2 eine SEM-Aufnahme einer gemäß 1 hergestellten Halbleiterverbundstruktur,
  • 3 den prinzipiellen Aufbau der Halbleiterverbundstruktur mit konischen Poren,
  • 4 ein Äquivalentnetzwerk eines Bauelements aus der Halbleiterverbundstruktur,
  • 5 eine Kennlinie der Halbleiterverbundstruktur als Widerstand bei Raumtemperatur
  • 6 eine Kennlinie der Halbleiterverbundstruktur als Widerstand bei erhöhter Umgebungstemperatur
  • 7 ein Kennlinienfeld der Halbleiterverbundstruktur als npn-Transistor
  • 8 ein Kennlinienfeld der Halbleiterverbundstruktur als pnp-Transistor
  • 9 ein Kennlinienfeld der Halbleiterverbundstruktur als npn-Fototransistor
  • 10 ein Kennlinienfeld der Halbleiterverbundstruktur als Fotodiode
  • 11 ein Kennlinienfeld der Halbleiterverbundstruktur als Feuchtesensor,
  • 12 einen Stammbaum der Halbleiterverbundstruktur sowie
  • 13 eine Parametrierungstabelle für die Halbleiterverbundstruktur
    und die folgenden Figuren Schaltungsanordnungen für eine Anwendung der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung mit leitfähigen Nanoclustern (TOSCA) als
  • 14 thermokapazitiver Sensor-Oszillator,
  • 15 optokapazitive Fernsteuerung eines Lokaloszillators,
  • 16 Niederfrequenzrauschquelle,
  • 17 optoresistiver Sensor,
  • 18 optokapazitiver Sensor,
  • 19 optokapazitive Fernsteuerung eines Bandpasses,
  • 20 optokapazitive Fernsteuerung eines Tiefpasses,
  • 21 optokapazitive Fernsteuerung eines Hochpasses,
  • 22 Signalfrequenzvervielfacher,
  • 23 Amplitudenmodulator,
  • 24 astabiler Multivibrator,
  • 25 thermoresistiver Sensor,
  • 26 Fototransistorstufe,
  • 27 optoelektronischer Nanoclusterstrahler,
  • 28 Schwingkreis
    und die folgenden Figuren Schaltungsanordnungen für eine Anwendung der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung mit feuchteempfindlichem Fullerit (MOSBIT) als
  • 29 frequenzdigitaler Gassensor,
  • 30 analog-konduktiver Gassensorverstärker,
  • 31 analoger Gas-Strom-Umsetzungsverstärker,
  • 32 analog-resisitiver Gassensorverstärker,
  • 33 analoger Gas-Spannungs-Umsetzungsverstärker,
  • 34 Gas-Spannungszelle und als
  • 35 Solarzelle
  • Bereits weiter oben wurde erwähnt, dass sich die Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung treffend mit „TOSCA" als Akronym für „Tracks in Oxide on Silicon for Charge Applications" bezeichnen lässt. Analog dazu kann eine TOSCA-Struktur mit feuchteempfindlichem Fulleren als elektrisch leitfähigem, aber hochohmigen Belag auf der elektrisch isolierenden Schicht mit dem Akronym „MOSBIT" treffend charakterisiert werden, wobei es sich dabei um die Abkürzung der Bezeichnung: „MOisture Sensoring with Buckminsterfullerene in Ion Tracks" handelt. Eine Beschränkung der Erfindung durch die Verwendung dieser Begriffe auf spezielle Ausführungsformen, die zu der Begriffswahl geführt haben, ist dadurch aber nicht gegeben.
  • Die 1 zeigt schematisch im Querschnitt eine parametrierte Halbleiterverbundstruktur PSC mit einem Halbleitersubstrat SCS und einer angrenzenden Schicht EIL aus einem elektrisch isolierenden Material. Über drei Elektroden o, v, w (elektrisch gleichbedeutend mit „Anschlüssen" oder „Abgriffen") ist die Halbleiterverbundstruktur PSC elektrisch kontaktiert. In die Schicht EIL aus einem elektrisch isolierenden Material sind vertikal orientierte Dotierungskanäle in Form von nanoskalierten Poren VP integriert. Dabei ist die Verteilung der Poren VP, der Porendurchmesser, die Porentiefe und die Porenform frei wählbar. Im gewählten Ausführungsbeispiel sind zylindrische Poren VP in Gruppen unterschiedlicher Größe, die den oberen Elektroden o, w zugeordnet sind, dargestellt, die die Schicht EIL aus einem elektrisch isolierenden Material vollständig durchdringen und so eine einfache Migration zusätzlicher Ladungsträger insbesondere in das Halbleitersubstrat SCS ermöglichen. Die zusätzlichen Ladungsträger werden von einem elektrisch leitfähigen Material ECM zur Verfügung gestellt, das im gezeigten Ausführungsbeispiel in Form von dispersen Nanopartikeln DNP in die Poren VP und auch auf die Oberfläche der Schicht EIL aus elektrisch isolierendem Material aufgebracht ist. Dabei erzeugen die dispersen Nanopartikel DNP einen hochohmigen Widerstandsgradienten zwischen den Elektroden o, w, sodass hier ein Kurz schluss verhindert wird. Eine im Wesentlichen vertikale Migration der zusätzlichen Ladungsträger durch die Schicht EIL aus einem elektrisch isolierenden Material ist hingegen möglich. Die Poren VP mit den dispensen Nanopartikeln NP stellen in der Halbleiterverbundstruktur PSC eine besonders große Anzahl von nadelförmigen Halbleiterübergängen dar, sodass die nach der Erfindung strukturierte Halbleiterverbundstruktur PSC als eine „Multispitzendiodenanordnung" bezeichnet werden kann. Diese ist elektrisch durch Ersatzschaltbilder mit entsprechenden Diodenanordnungen darstellbar.
  • In der 2 ist eine Aufnahme mit einem scannenden Elektronen-Mikroskop SEM gezeigt. Von oben ist die Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material, hier SiO2, zu sehen, in die eine Vielzahl von Poren unterschiedlichen Durchmessers in dispenser Verteilung integriert sind. Der dunkle Mittenbereich in den Poren zeigt das darunter liegende Halbleitersubstrat, hier Si. Die Poren sind im gezeigten Ausführungsbeispiel also durchgeätzt. Der weiße Rand um die Poren zeigt deren konischen Verlauf an. Die in der SEM-Aufnahme zu sehenden weißen Punkte sind Cluster aus einem elektrisch leitfähigen Material, hier Silber, das in die Poren und auch auf die Oberfläche der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material aufgebracht sind.
  • Die 3 zeigt in Analogie zu 1 schematisch einen Querschnitt einer parametrierten Halbleiterverbundstruktur PSC, hier jedoch mit konisch verlaufenden Poren VP, die die Schicht EIL aus einem elektrisch isolierenden Material nicht vollständig durchdringen. Bei diesem Konzept migrieren die zusätzlichen Ladungsträger vermehrt in die Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material. Handelt es sich hierbei beispielsweise um photosensitives Siliziumoxynitrid SiON, kommt es bei einer Bestrahlung der Halbleiterverbundstruktur PSC mit Licht verstärkt zu einer Photoemission, die in Messungen entsprechend genutzt werden kann.
  • Theoretische Beschreibung der Struktur. Es wurden erste Versuche unternommen, die Funktionsweise der neuen Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung physikalisch zu begründen. Hierzu wurde ein Äquivalent-Netzwerk gemäß 4 angenommen. Damit lassen sich die Strompfade z.B. vom Kontakt o zu den Kontakten w oder v verfolgen. Der Strom kann dann entweder direkt zu w durch die Oberflächenbelegung fließen oder er kann durch die darunterliegenden Spuren ins darunterliegende Silizium gehen. Die Spuren können durch einen Widerstand Ro und eine Diode Dox mit einem Leckstromwiderstand Rox beschrieben werden. Unterhalb der Oxidschicht kann sich eine Anreicherungszone, Verarmungszone oder Inversionszone aufbauen. In der Nähe der angelegten Spannungen hängt die Existenz einer solchen Schicht (als „Kanal" bezeichnet) von den Leckeigenschaften des Oxids ab, was durch den Spunnriderstand Rt und die Diodenparameter Dox und Rox beschrieben werden kann. Für niederohmige Rt, Dox und Rox ist nur eine geringfügige oder gar keine Ladungskontrolle durch den Feldeffekt über Cox möglich. Der Kanalwiderstand wird durch Rc beschrieben. Unter bestimmten Vorspannungs-Bedingungen wird der Strom in Richtung zum Anschluss v eine Potentialbarriere vom Kanal zum Basis-Silizium überwinden müssen, was durch eine zusätzliche Diode DL mit einem Leckwiderstand RL beschrieben wird. Zum Vergleich werden konventionelle, bekannte MOS-Kapazitäten ohne Spuren an Stelle der Diode DL durch eine vorspannungsabhängige Kapazität dargestellt, die z.B durch den Übergang von einer Inversionsschicht zum Basis-Silizium gegeben ist, weil hier kein Gleichstrom fließt. Im Fall, dass an den Kontakten o und w Spannungen verschiedener Polaritäten liegen, muss noch ein zusätzlicher pn-Übergang an der Silizium-Oberfläche berücksichtigt werden.
  • Mit diesem Ansatz lassen sich die Beiträge der einzelnen Komponenten abschätzen. Besonders ist hier der Spurwiderstand Rt von Interesse, weil seine Größe die An- oder Abwesenheit von Schichten mit freien Ladungsträgern kontrolliert, also die Inversions- oder Anreicherungsschichten und konsequenterweise auch die Werte Rc, DL und RL. Die detaillierte Beschreibung der Iv-Vvw Charakteristik nach diesem Modell liefert Resultate, die zumindest qualitativ mit den Beobachtungen übereinstimmen. Zwei Fälle müssen hierbei unterschieden werden, die mit Typ 1 bzw. Typ 2 gekennzeichnet wurden. Beim Typ 1 sind die Spuren nur geringfügig aufgeätzt, sodass Rt sehr groß ist. Typ 2 entspricht dem Fall kleinerer Rt, was experimentell durch längere Spuren-Ätzdauern realisiert werden kann. Bei den Typen 1 und 2 sind die Rollen von Elektronen und Löchern vertauscht, sodass komplementäre Charakteristiken auftreten. Es kann gezeigt werden, dass je nach den anliegenden Spannungen das Bauelement entweder als ein schwach nichtlinearer Widerstand oder als ein durch ein laterales Feld induzierter pn-Übergang angesehen werden kann. Es treten oft dramatische Asymmetrien bei den Charakteristiken auf, sowie Knicke und/oder steile Anstiege. Sowohl Verarmungs- als auch Inversions- und Anreicherungszonen können je nach der angelegten Spannung unterhalb der Oberflächenkontakte erzeugt werden, sodass es möglich ist, Ströme von einem Kontakt zum anderen zu schalten. An gewissen Arbeitspunkten weist die Halbleiterverbindungsstruktur nach der Erfindung negative differentielle Widerstände auf, sodass sie die Eigenschaften eines pnp- (beim Typ 1) bzw. npn-(beim Typ 2)-Transistors erhält. Es wurden hier bislang Leistungsverstärkungen bis zu einem Faktor 24 beobachtet. Der Transistoreffekt ist reproduzierbar und oft von punktförmiger Lichtemission begleitet.
  • Die an Hand des Äquivalent-Netzwerkes gemäß 4 abgeleitete Theorie liefert für die Strom/Spannungs-Charakteristik in erster Näherung die Beziehung: Io = β(R/R+2)(Vv + Vw)(Vo – Vw),wobei β = Cox μ W/L, R das Widerstandverhältnis Rc/Rt, μ die Ladungsträgerbeweglichkeit, W die Kanalbreite, L die Kanallänge, und Vv, Vo, Vw die an den Kontakten v, o und w angelegten Spannungen sind. Diese Beziehung gilt nur für kleine Spannungen Vv, weil R als konstant angenommen wurde. Mit wachsender Spannung Vv sinkt jedoch Rc auf Grund der durch den Feldeffekt im Kanal erzeugten Ladung, was zu den beobachteten Nichtlinearitäten führt. Bei sehr stark negativen Spannungen Vow wird durch den anwachsenden Feldeffekt die Strom/Spannungs-Charakteristik für den Typ 1 parabelförmig, sodass sich jene der des klassischen MOS-Transistors annähert.
  • In der 5 ist eine bei Raumtemperatur RT gemessene Kennlinie der Halbleiterverbundstruktur mit einer Ätzdauer von 3 min in einer Ausbildung als steuerbarer Halbleiter-Widerstand dargestellt. Es zeigt sich bei der Messung der Strom-Spannungs-Charakteristik ein typischer I,U-Kennlinienverlauf eines Sperrschichthalbleiterbauelements. Dessen Temperaturabhängigkeit konnte gemäß 6 nachgewiesen werden, die die Kennlinie der Halbleiterverbundstruktur mit einer Ätzdauer von 3 min bei einer Umgebungstemperatur von 60°C zeigt. Deutlich ist die erwartete Verflachung der Kennlinie zu erkennen. An dieser Stelle sei bemerkt, dass Kontrollversuche mit ähnlichen Halbleiterverbundstrukturen, aber ohne Poren durchgeführt wurden. Diese zeigen nicht die beschriebene Charakteristik der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung, sondern nur die eines normalen hochohmigen Widerstands, was auf die erfindungswesentliche Anwesenheit von elektrisch leitfähigen Poren, insbesondere in der Ausbildung von geätzten Ionenspuren, in der elektrisch isolierenden Schicht bei der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung hinweist.
  • Die 7 zeigt ein Kennlinienfeld eines aus einer Halbleiterverbundstruktur mit einer Ätzdauer von 7 min (Ätzung in Fluorwasserstoff-Lösung HF 7 min) hergestellten npn-Transistors, bei dem auf der silberbeschichteten Oberseite der Halbleiterverbundstruktur die beiden Elektroden o, w und auf deren aluminiumbelegten Unterseite die Elektrode v silberleitkleberkontaktiert sind. In der vorliegenden Anwendung wird zwischen den Elektroden v, w der Steuer- und zwischen den Elektroden o, w der Laststromkreis des npn-Transistors realisiert. Mit steigender Spannung Uow im Laststromkreis steigt auch der Laststrom Io und ist zudem mittels Steuerspannung – Uvw steuerbar. Diese npn-Transistortunktion ist mit dem in der 7 ebenfalls dargestellten einfachen Dioden-Ersatzschaltbild der Struktur gegeben, das prinzipiell aus drei Multispitzendiodenkomplexen besteht. Analog hierzu wurden gemäss 8 an einer Halbleiterverbundstruktur mit 10 min Ätzdauer in einem erweiterten Laststrombereich vergleichbare Laboruntersuchungen vorgenommen mit dem Ergebnis, dass mit unveränderter Kontaktierung der Halbleiterverbundstruktur nur durch die verlängerte Ätzdauer ein pnp-Transistor erzeugt und hergestellt wurde. Entsprechend den Ersatzschaltbildern setzen sich die Halbleiterverbundstruktur-Bipolartransistoren unter Beachtung der Polung in erster Näherung ebenfalls aus drei Multispitzendiodenkomplexen zusammen.
  • In der 9 ist ein Kennlinienfeld einer Halbleiterverbundstruktur in der Ausprägung als npn-Fototransistor mit einer lichtaktiven, elektrisch isolierenden Schicht, beispielsweise SiON, dargestellt. Zur Unterstützung der Lichtaktivität betrug die Ätzdauer HF nur 5 min, sodass konische, nicht durchgängige Poren erzeugt wurden. Der Lichteinstrahlungsfluss ist mit Φ bezeichnet. Deutlich ist das Ansteigen der Kennlinien mit ansteigender Lichteinstrahlung zu erkennen. Die 10 zeigt ein Kennlinienfeld über die kapazitive Änderung einer Halbleiterverbundstruktur mit einer Ätzdauer HF von 10 min in der Ausprägung als Fotodiode in Abhängigkeit von der eingestrahlten Lichtleistung. Diese kann also in einem Fotosensor durch Messung der veränderlichen Spannung ermittelt werden.
  • In der 11 ist ein Kennlinienfeld einer Halbleiterverbundstruktur in der Ausprägung als Feuchtesensor mit einem hochohmigen, elektrisch leitfähigen Materials als belag auf der Schicht aus elektrisch isolierendem Material und Porenfüllung aus Fullerit (MOSBIT) dargestellt. Die Kennlinien haben einen diodenförmigen Verlauf. Der Einfluss der Feuchte ist mit „G" gekennzeichnet. Deutlich ist die Erhöhung der Kennlinien mit ansteigender Feuchte zu erkennen. Dabei fließt in Anwesenheit von Feuchte selbst ohne angelegte Spannung ein Strom, was bedeutet, dass die Halbleiterverbundstrukturen mit Fullerit bei Feuchte selbst Spannungen generieren und als Energiespeicher dienen können. Der Grund dafür kann auf eine umweltabhängige Kontakt potenzialdifferenz zwischen Fullerit und Silizium als Substrat zurückgeführt werden. In der 11 ist auch der Einfluss von Licht auf die Kennlinien gezeigt. Der Lichteinstrahlungsfluss ist mit Φ bezeichnet. Es ist zu erkennen, dass Licht die Kennlinien absenkt, sodass die Einflüsse von Feuchte und Licht deutlich voneinander unterschieden werden können. Ein zum Licht ähnliches Kennlinienfeld ergibt sich für die Halbleiterverbundstruktur als Organogas-Sensor. Gase wie Alkohol oder Azeton senken die Kennlinien in ähnlicher Weise wie Licht ab. Die beiden Gase können aber mit einer Halbleiterverbundstruktur mit Fullerit alleine nicht voneinander unterschieden werden. Um das zu ermöglichen, muss eine Koinzidenzmessung mit einem weiteren, z.B. alkoholspezifischen Detektor (z.B. Halbleiterverbundstruktur mit hochohmigen SnO-Belag und Porenfüllung) stattfinden.
  • Die 12 zeigt eine Darstellung, die genealogische Relation der durch unterschiedliche Parametrierung erzeugbaren verschiedenen möglichen Halbleiterverbundstrukturen zueinander in einem Stammbaum darzustellen, soweit sie heute schon bekannt bzw. in Entwicklung sind. Die verschiedenen offenen Pfeile zeigen das hauptsächliche Gebiet, in dem zukünftige Erweiterungen noch zu erwarten sind. In der 13 sind die frei wählbaren Parameter der Halbleiterverbundstruktur tabellarisch zusammengestellt. Eingetragen sind auch die dazu passenden Materialien und deren Anwendungsgebiete. Die Tabelle entspricht dem derzeitigen Stand der Erkenntnis und zeigt Raum für zukünftige Erweiterungen.
  • Die in den 5 und 6 gezeigte Temperaturabhängigkeit der Halbleiterverbundstruktur 3min HF kann auch bei einer Halbleiterverbundstruktur 10min HF bezüglich deren innerer Kapazität (Thermokapazität) und innerem Parallelwiderstand (Thermowiderstand) sehr einfach als frequenzbestimmendes Element (Thermokapazität) in die Funktions- und Anwendungsschaltung gemäß 14, die das elektrische Schaltbild eines thermokapazitiven Sensor-Oszillators mit einer Halbleiterverbundstruktur 10min HF zeigt, eingebaut und praktisch genutzt werden. Die Frequenz dieses Sensor-Oszillators ist ein direktes, digitales Maß für die zu messende Temperatur. Messtechnisch kann so zwischen Raumtemperatur und 80°C Umgebungstemperatur im entsprechenden Analysatorspektrum ein Oszillatorfrequenzunterschied von 190 kHz festgestellt werden. Bei Verwendung einer Halbleiterverbundstruktur 7 min HF ergibt sich ein Oszillatorfrequenzunterschied von 201 kHz und bei Verwendung einer Halbleiterverbundstruktur 5min HF ein Oszillatorfrequenzunterschied von 188 kHz, sodass sich für diesen Temperaturmessbereich eine Temperatursensorempfindlichkeit von ungefähr 3 kHz/°C ergibt. In der 15 ist das Schaltungsbild einer optokapazitiven Fernsteuerung eines Lokaloszillators dargestellt. Dabei wird der Fotoeffekt einer Halbleiterverbundstruktur mit einer Ätzdauer HF von 10min auf den Bau einer Foto-npn-Transistorstufe angewendet. Unterbindet man den Gleichstromfluss in dieser Struktur (Leerlauf), so werden die Messergebnisse bezüglich der kapazitiven Änderung bei Einkopplung optischer Strahlung gemäß 10 an den Elektroden o, w bzw. v, w größenordnungsmäßig bestätigt. Diese besondere Eigenschaft der optoelektronischen Halbleiterverbundstruktur wird gemäß 15 in der Funktionsschaltung zur optokapazitiven Steuerung eines Lokaloszillators mit der Frequenz f = 3,88756 MHz mittels einer Halbleiterverbundstruktur 10min HF technisch angewendet. In einem gering gehaltenen Frequenztrimmbereich einer ungefähr einprozentigen kapazitive Änderung ergibt sich eine Frequenzänderung dieses Lokaloszillators bei einer Grundfrequenz f = 3,88756 MHz um Δf = 16,5 kHz.
  • Die 16 zeigt die Anwendung der Halbleiterverbundstruktur mit einer vorgegebenen Ätzdauer (hier und in den Schaltungsanordnungen gemäß den nachfolgenden Figuren entsprechend wählbar) auf eine Niederfrequenzrauschquelle, wobei hohe lokale elektrische Feldstärken in der Halbleiterverbundstruktur zufällige, häufige elektrische Entladungen und Rekombinationen bewirken und demzufolge an den Abgriffen eine messbare Rauschspannung erzeugen. Wie die Messungen gemäß 9 zeigen, ändert sich mit der Einkopplung von optischer Strahlung Φ, λ die Steigung im I,U-Kennlinienfeld, also der differenzielle elektrische Widerstand der Halbleiterverbundstruktur (Optowiderstand) und ermöglicht gemäß 17 die Anwendung als optoresistiver Sensor. Die Änderung der eingekoppelten optischen Strahlung bewirkt hier im Stromkreis eine Strom- und damit eine an den Elektroden verfügbare entsprechende Spannungsänderung. In der Anwendung gemäß 18 als optokapazitiver Sensor wird die Halbleiterverbundstruktur als Fotodiode mittels der Reihenkapazität C1 in optokapazitiver Änderung gleichstromlos leerlaufbetrieben und die zu messende eingekoppelte optische Strahlung an den beiden Abgriffen in eine zählbare digitale Frequenz umgesetzt. Neben der Kommunikationstechnikanwendung gemäß 15 sind auch Kommunikationstechnikanwendungen der Halbleiterverbundstruktur zur optokapazitiven Fernsteuerung eines Bandpasses gemäß 19, eines Tiefpasses gemäß 20 und eines Hochpasses gemäß 21 zur vorteilhaften vollständigen Unterbindung störender elektromagnetischer Fremdeinflüsse durch diese Art der Optokopplung praktisch realisierbar.
  • Bei der Einstellung des I,U-Arbeitspunktes gemäß einer Anwendung als Signalfrequenzvervielfacher nach 22 mittels im Bereich großer Kennlinienkrümmung angelegter Gleichspannungen an der Halbleiterstruktur als Bipolartransistor, wird die eingekoppelte Signalspannung verzerrt und ihre Frequenz, die Signalfrequenz, vervielfacht und an den beiden Elektroden zu Verfügung gestellt. Die Anwendung gemäß 23 nutzt die Arbeitspunkteinstellung gemäß 9 dazu, zwei Signalspannungen in additiver Mischung miteinander zu multiplizieren, was der praktischen, einfachen Realisierung eines Amplitudenmodulators entspricht, wobei die Modulationsspannung dann an den beiden Elektroden für die kommunikationstechnische Weiterverarbeitung verfügbar ist. Wählt man den I,U-Arbeitspunkt bei Verwendung an einer Halbleiterverbundstruktur als npn-Tunneltransistor, stellt sich der durch einen Bogenkennlinie gekennzeichnete Tunneleffekt bei ca. 2V/1 mA ein (S- Tunneldiode). Es ergibt sich dann bei einer Beschaltung der Halbleiterverbundstruktur gemäß 24 die Anwendung als astabiler Multivibrator im Tunneleffekt und als nächste Entwicklungsstufen mit diesem Halbleiterbauelement ergeben sich ein Radiofrequenz-Oszillator und ein bidirektionaler Hochfrequenz-Verstärker.
  • Die weitere Anwendung nach 25 in der Temperaturmesstechnik zeigt einen arbeitspunkteingestellten Halbleiterverbundstruktur-Transistor als Thermowiderstand, also einen thermoresistiven Sensor, dessen Ausgangsspannung an den beiden Elektroden ein direktes Maß für die eingekoppelte Temperatur ist. Die Anwendung nach 26 stellt eine Fototransistorstufe dar, deren Ausgangsspannung an den beiden Elektroden ein direktes Maß für die eingekoppelte Strahlung ist, so wie dies gemäß 9 für die Bauelemente aus der Halbleiterverbundstruktur typisch gemessen wurde. Die Anwendung nach 27 betrifft eine Halbleiterverbundstruktur SiON/n-Si(II) und SiON/p-Si(I), die beide zwischen den Anschlüssen o, w mit ca. 15 mA elektrisch gespeist werden, als farboptoelektronische Nanoclusterstrahler, deren jeweilige Wellenlänge λ = 4·n·I vom Brechungsindex n und von der jeweiligen Länge bzw. Tiefe I des Porenkanals abhängt. Dabei erzeugt beispielsweise die Probe (I) mit ca. 150 strahlenden Nanoclustern ca. 1,4 nW optischen Strahlungsfluss. In dieser Anwendung reagiert die jeweilige Halbleiterverbundstruktur bei zusätzlicher Einkopplung von optischem Strahlungsfluss wie eine Fotodiode, sodass im nächsten Entwicklungsschritt der Bau eines optoelektronischen Transceivers für kommunikationstechnische Anwendungen auf Basis der Halbleiterverbundstruktur realisierbar ist. In der 28 ist eine Anwendung der Halbleiterverbundstruktur als frequenzvariabler Schwingkreis dargestellt. Durch Variation der angelegten Spannung (spannungsgesteuerte Nanocluster-Kapazität) kann ein zumindest im unteren Hochfrequenzbereich zwischen 500 MHz und 800 MHz abstimmbarer Schwingkreis realisiert werden. Somit ist die Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung auch hochfrequenztüchtig.
  • Die folgenden 29 bis 35 beziehen sich auf MOSBIT-Strukturen, d.h. auf mit Fullerit als elektrisch leitfähigem Material auf der Oberfläche der Schicht aus elektrisch isolierenden Material und in den Poren ausgelegte Halbleiterverbundstrukturen nach der Erfindung (TOSCA). In Analogie zum Lichteinfall erzeugt eine MOSBIT-Struktur auch bei Anwesenheit von Feuchtigkeit eine Spannung, die beim Absinken der Feuchte wieder verschwindet Weil das feuchteempfindliche Sensormaterial C60 (Fullerit) oberflächlich dünn aufgetragen wurde und nicht als dicke Schicht, sind die Diffusionsprozesse des Wasserdampfes im Fulleren auf ein Minimum reduziert, sodass dieser Sensor eine sehr kurze Ansprechzeit unterhalb von einer Sekunde besitzt. Die Ursache der Spannung einer solchen MOSBIT-Hygrozelle kann einer umweltabhängigen C60/Si-Kontaktspannung zugeschrieben werden. Diese Eigenschaft kann dazu ausgenutzt werden, Feuchtespannungs-Treiber zu bauen Wenn die Hygrozelle an Stelle von Feuchte Dämpfen von Alkohol oder Azeton ausgesetzt wird, erzeugt diese ebenfalls eine Spannung, allerdings ist deren Vorzeichen dann entgegengesetzt. Dadurch kann Feuchtigkeit von Organogas-Dämpfen unterschieden werden. Wie schon die TOSCA-Strukturen mit Nanoclustern, so lassen auch die MOSBIT-Strukturen sowohl resistives, konduktives als auch kapazitives Sensorverhalten erkennen. Demgemäß lassen sich beispielsweise sowohl Feuchte-Resistiv-Sensoren, Feuchte-Konduktiv-Sensoren als auch Feuchte-Kapazitiv-Sensoren herstellen. Bei letzteren ist es sinnvoll, die kapazitiven Änderungen in Frequenzänderungen umzusetzen. Schließlich lässt sich die Änderung der Leitfähigkeit eines MOSBIT-Elementes auch zur Erzeugung von Feuchtestrom-Umsetzern verwenden.
  • In der 29 ist ein frequenzdigitaler Gassensor dargestellt, in dem der mit Fullerit (C60) Oberflächen-beschichtete und gleichstromlos betriebene Nanoclustergrundstruktur MOSBIT mit ihrer gasabhängigen Kapazität den Oszillatorkreis im MHz-Bereich steuert. Somit ist die an beiden Abgriffen verfügbare Oszillatortrequenz ein direktes digitales Maß für die Gaskonzentration.
  • In der 30 ist ein analog-konduktiver Gassensorverstärker dargestellt, der die Leitwertänderung der mit C60 oberflächenbeschichteten Nanoclustergrundstruktur MOSBIT in Abhängigkeit von der Gaskonzentration direkt in eine messbare Spannung umsetzt und an den beiden Abgriffen anbietet.
  • In der 31 ist ein analoger Gas-Strom-Umsetzverstärker dargestellt, der den generatorischen Kurzschlussstrom in der mit C60 oberflächenbeschichteten Nanoclustergrundstruktur MOSBIT in Abhängigkeit von der Gaskonzentration direkt in eine messbare Spannung umsetzt und an den beiden Abgriffen anbietet.
  • In der 32 ist ein analog-resistiver Gassensorverstärker dargestellt, der die Widerstandsänderung der mit C60 oberflächenbeschichteten Nanoclustergrundstruktur MOSBIT in Abhängigkeit von der Gaskonzentration direkt in messbare Spannung umsetzt und an den beiden Abgriffen anbietet
  • In der 33 ist ein analoger Gas-Spannungs-Umsetzverstärker dargestellt, der die von der Gaskonzentration abhängige und generatorische Leerlaufspannung der mit C60 oberflächenbeschichteten Nanoclustergrundstruktur MOSBIT an den beiden Abgriffen niederohmig- belastbar anbietet.
  • In der 34 ist eine Gas-Spannungszelle mit der C60 oberflächenbeschichteten Nanoclustergrundstruktur MOSBIT dargestellt, die unter Verwendung größerer Gaskonzentration zur Stromversorgung unter Benutzung der Spannungsabgriffe angewendet werden kann.
  • In der 35 ist eine Solarzelle mit der C60 oberflächenbeschichteten Nanoclustergrundstruktur MOSBIT dargestellt, die bei Einkopplung optischer Strahlung sowohl als Strahlungsempfänger als auch als Stromversorgung unter Benutzung der Spannungsabgriffe angewendet werden kann. Es tritt eine Verschiebung der Kennlinien bei Lichteinfall (symbolisiert durch ϕ) auf. Bei gleicher eingestrahlter Lichtintensität ist die Verschiebung wellenlängenabhängig (symbolisiert durch λ), sodass sich dadurch der Bau neuartiger kompakter optischer Spektrometer ohne bewegliche Teile ermöglichen lässt.
  • Zusammenfassend gesehen kann an der vorangehend beschriebenen, umfangreichen, aber nicht als abschließend zu betrachtenden Palette von Halbleiterbauelemente die große Flexibilität der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung und deren einheitliche Anwendungsform erkannt werden. Zusammen mit der neuen Halbleiterstruktur nach der Erfindung kann somit auch eine neue, preiswerte Klasse von einfach herstell- und steuerbaren Halbleiterbauelementen zur Verfügung gestellt werden. Die Produktion dieser Strukturen benötigt, abgesehen von einem Großbeschleuniger zur Ionenspurenherstellung, lediglich Nasschemie ohne Reinraum- und Vakuumbedingungen.
    •
    • DNP
    Nanopartikel
    ECM
    elektrisch leitfähiges Material
    EIL
    angrenzende Schicht aus elektrisch isolierendem Material
    MOSBIT
    MOisture Sensoring with Buckminsterfullerene in Ion Tracks
    o, v, w
    Elektrode, Anschluss
    PSC
    Halbleiterverbundstruktur
    SCS
    Halbleitersubstrat
    TOSCA
    Tracks in Oxide on Silicon for Charge Applications
    VP
    Pore

Claims (13)

  1. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur mit zumindest einem Halbleitersubstrat mit wählbarer p- oder n-Dotierung und elektrischer Leitfähigkeit und einer angrenzenden Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material mit im Wesentlichen vertikal integrierten Dotierungskanälen, in die ein elektrisch leitfähiges Material mit wählbarer elektrischer Leitfähigkeit eingebracht ist, wobei Ladungsträger in der Halbleiterverbundstruktur migrieren, und einer elektrischen Kontaktierung aus mehreren auf der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material und dem Halbleitersubstrat angeordneten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungskanäle als nanoskalierte Poren (VP) mit wählbarer Verteilung in der Schicht (EIL) aus einem elektrisch isolierenden Material sowie wählbarem Porendurchmesser, Porentiefe und Porenform ausgebildet sind und dass mit dem in die Poren (VP) eingebrachten oder mit einem anderen, elektrisch leitfähigen, aber hochohmig ausgeprägten Material (ECM) auch die Oberfläche der Schicht (EIL) aus einem elektrisch isolierenden Material unter Erzeugung eines wählbaren elektrischen Widerstands, der eine im Wesentlichen horizontale Migration der Ladungsträger zwischen den auf der Schicht (EIL) aus einem elektrisch isolierenden Material angeordneten Elektroden (o, w) verhindert, aber eine im Wesentlichen vertikale Migration der Ladungsträger in der Halbleiterverbundstruktur (PSC) unterstützt, belegt ist.
  2. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material (ECM) in Form von Nanoclustern (DNC) mit wählbarer Größe ausgebildet und mit wählbarer Dispersionsdichte in die Poren (VP) eingebracht sowie auf die Schicht (EIL) aus einem elektrisch isolierenden Material aufgebracht ist.
  3. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Nanocluster (DNC) des elektrisch leitfähigen Materials (ECM) in demselben gewählten Größenbereich liegen.
  4. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material (ECM) ein dispers verteiltes Metall, eine Halbleiterverbindung, ein Kohlenstoffallotrop, ein oxidischer Halbleiter, ein leitendes Oxid oder eine Mischform davon ist.
  5. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material (ECM) von einem für eine spezielle Substanz sensoraktiven Material mit elektrischer Leitfähigkeit ergänzt oder ersetzt ist.
  6. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die spezielle Substanz Feuchtigkeit oder Dampf ist.
  7. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material (EIL) eine Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumoxynitrid, oder ein Kohlenstoffallotrop, insbesondere Diamant, oder ein Polymer, insbesondere Photolack oder Kapton, ist.
  8. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (SCS) sauerstoffarmes Silizium oder Czochralski-Silizium ist.
  9. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche parametrierte Bereiche, insbesondere hinsichtlich der Wahl des elektrisch leitfähigen Materials (ECM), die jeweils Spektren verschiedener physiko-chemischer Größen abdecken, benachbart auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat (SCS) angeordnet sind.
  10. Verfahren zur Herstellung einer parametrierten Halbleiterverbundstruktur mit zumindest einem Halbleitersubstrat mit wählbarer p- oder n-Dotierung und elektrischer Leitfähigkeit und einer angrenzenden Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material mit im Wesentlichen vertikal integrierten Dotierungskanälen, in die ein elektrisch leitfähiges Material mit wählbarer elektrischer Leitfähigkeit eingebracht ist, dessen komplementäre Ladungsträger in das Halbleitersubstrat migrieren, und einer elektrischen Kontaktierung aus mehreren auf der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material und dem Halbleitersubstrat angeordneten Elektroden, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit den Verfahrensschritten: I. Aufbringen einer Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material auf ein p- oder n-dotierte Halbleitersubstrat II. Erzeugung von Dotierungskanälen in der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material III. Aufbringen eines Belages aus einem elektrisch leitfähigen Material in den Dotierungskanälen und auf der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material und IV. Aufbringen von Elektroden auf der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material und dem Halbleitersubstrat, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt I mittels einer Plasma-Chemical-Vapor-Deposition bei einer Prozesstemperatur in einem Temperaturbereich von 200°C bis 300°C durchgeführt wird und/oder dass der Verfahrensschritt II zur Ausbildung von Dotierungskanälen als nanoskalierte Poren (VP) mit wählbarer Verteilung in der Schicht (EIL) aus einem elektrisch isolierenden Material sowie wählbarem Porendurchmesser, Porentiefe und Porenform mittels Bestrahlung der Schicht (EIL) aus dem elektrisch isolierenden Material mit hochenergetischen Schwerionen durchgeführt wird, wobei die Porenparameter durch die Wahl der Bestrahlungsparameter einstellbar sind.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt II zur Ausbildung von Dotierungskanälen ein an die Bestrahlung anschließendes Ätzen der Ionenspuren durchgeführt wird, wobei die Porenparameter durch die Wahl der Ätzparameter, insbesondere der Ätzdauer, einstellbar sind.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt III unterschiedliche Beläge aus einem elektrisch leitfähigen Material in den Dotierungskanälen und auf der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material aufgebracht werden.
  13. Anwendung einer parametrierten Halbleiterverbundstruktur mit zumindest einem Halbleitersubstrat mit wählbarer p- oder n-Dotierung und elektrischer Leitfähigkeit und einer angrenzenden Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material mit im Wesentlichen vertikal integrierten Dotierungskanälen, in die ein elektrisch leitfähiges Material mit wählbarer elektrischer Leitfähigkeit eingebracht ist, dessen komplementäre Ladungsträger in das Halbleitersubstrat migrieren, und einer elektrischen Kontaktierung aus mehreren auf der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material und dem Halbleitersubstrat angeordneten Elektroden, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Funktion als elektronisches, aktives oder passives Bauelement, insbesondere in einer Ausbildung als Transistor, Kondensator, Widerstand oder Schwingkreis, als optoelektronisches Bauelement, insbesondere in einer Ausbildung als Lichtemitter oder Lichtdetektor, als hygroelektronisches Bauelement, insbesondere in einer Ausbildung als Hygrozelle, oder als sensorisches Bauelement, insbesondere in einer Ausbildung als Sensorzelle, oder als Kombination dieser Bauelemente, wobei die jeweilige funktionelle Ausprägung durch die Parametrierung der Halbleiterverbundstruktur (PSC), insbesondere durch die Ausprägung der Dotierungskanäle in Form von Poren (VP) und dem Belag aus dem elektrisch leitenden Material (ECM) in Form von Nanoclustern (DNC), sowie durch eine partielle Einstellung des Arbeitspunktes durch Variation der Beaufschlagungsgrößen und durch die Anordnung der Elektroden (o, v, w) ausgebildet wird.
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