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Hintergrund und Stand der Technik
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Halbleitersensor und ein Verfahren, das einen solchen Halbleitersensor zum Detektieren von mobilen Ionen in einer Probe verwendet.
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Hintergrund und Stand der Technik
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Das Messen der quantitativen Konzentration mobiler Ionen in einer flüssigen Probe lässt sich durch chromatographische oder spektroskopische Verfahren erreichen, z. B. durch HPLC (Hochleistungs- oder Hochdruckflüssigchromatographie), AAS (Atomabsorptionsspektrometrie) oder ICP-MS (induktiv gekoppelte Plasmamassenspektroskopie). Weitere Ansätze mit elektrischen Antwortsignalen sind z. B. als ISFET (ionensensitiver Feldeffekttransistor) oder Derivate davon verfügbar. Jeder Ansatz weist Vorteile in Sachen Einfachheit der Verwendung und Sensitivität auf, da dadurch die Messung mobiler Ionen bis zu einer Größenordnung von ppm oder sogar darunter möglich ist. Diese Verfahren erfordern große und teure Vorrichtungen und speziell ausgebildetes Personal.
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Im Gesundheitswesen wird häufig das Testen menschlicher Blutproben vorgenommen. Beispielsweise kann eine Blutprobe auf die Gegenwart von K+ (Kaliumionen) getestet werden, was unter Einsatz einer oder mehrerer der oben beschriebenen Verfahren erfolgen kann. Das Durchführen solcher Verfahren können eine relativ lange Zeitspanne und/oder wesentliche Kosten in Anspruch nehmen.
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Ein Ziel der vorliegenden Ausführungsformen besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung der Ionenkonzentration bereitzustellen. Diese Ziele werden mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen erreicht. Weitere Ausführungsformen umfassen die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Offenbarung schlägt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Ionenkonzentration in einer Probe vor.
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Die Vorrichtung umfasst einen Halbleiterkörper, eine Gate-Elektrode und eine zwischen der Gate-Elektrode und zumindest einem Teil des Halbleiterkörpers angeordnete Gate-Isolierung. Die Gate-Isolierung umfasst zumindest einen Ionenzugangsbereich, der Ionen in der Probe Zugang zur Gate-Isolierung bereitstellt.
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Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Probe auf einem Probenzugangsbereich einer Gate-Isolierung einer Halbleiterfeldeffektvorrichtungsstruktur, das Bestimmen einer Änderung einer elektrischen Eigenschaft der Feldeffektvorrichtungsstruktur und das Bestimmen der Ionenkonzentration basierend auf der Änderung der elektrischen Eigenschaft.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein Beispiel einer Feldeffekttransistorstruktur zur Detektion von Ionen in einer Probe;
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2 zeigt die Differenz in der Transporteigenschaft einer Feldeffekttransistorstruktur in Abhängigkeit von der Ionenkonzentration;
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die 3a bis d zeigen, wie Ionen aus einer Probe in einer Feldeffekttransistorstruktur detektiert werden können;
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4 zeigt ein Flussdiagramm davon, wie Ionen aus einer Probe in einer Feldeffekttransistorstruktur detektiert werden können;
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5 zeigt ein Beispiel für eine vertikale Feldeffekttransistorstruktur zur Detektion von Ionen in einer Probe;
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6 zeigt ein Beispiel für eine laterale Feldeffekttransistorstruktur zur Detektion von Ionen in einer Probe; und
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7 zeigt ein Beispiel für eine weitere laterale Feldeffekttransistorstruktur zur Detektion von Ionen in einer Probe.
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Ausführliche Beschreibung
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Die Erfindung lässt sich durch Lektüre der folgenden ausführlichen Beschreibung von Beispielen, die in Bezug auf die beigeschlossenen Figuren angeführt sind, besser verstehen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf bestimmte Ausführungsformen beschränkt. In Bezug auf ein Beispiel beschriebene Merkmale können verwendet und mit Merkmalen eines anderen Beispiels kombiniert werden, ohne dabei vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Gleiche Bezugszeichen dienen durchwegs der Beschreibung jeweils gleicher Elemente. In der nachstehenden Beschreibung sind zu Erläuterungszwecken zahlreiche konkrete Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis des beanspruchten Gegenstands bereitzustellen. Es kann sich jedoch zeigen, dass der beanspruchte Gegenstand auch ohne diese konkreten Details angewandt werden kann. Eine wiederholte Beschreibung von Merkmalen wurde vermieden, und es kann sein, dass die Figuren in Bezug aufeinander nicht maßstabgetreu sind.
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Die Offenbarung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Ionen und zur Bestimmung einer Ionenkonzentration in einer Probe unter Verwendung einer Halbleitervorrichtung. Der Halbleiter kann somit als Halbleiterionensensor bezeichnet werden.
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1 zeigt ein Beispiel für eine Feldeffekthalbleitervorrichtung 10 zur Detektion von Ionen. Die Feldeffekthalbleitervorrichtung 10 kann die Struktur eines Feldeffekttransistors aufweisen, der eine Source-Region 40 mit einem Source-Kontakt 41, eine Drain-Region 50 mit einem Drain-Kontakt 51 und eine zwischen der Source-Region 40 und der Drain-Region 50 angeordnete Körperregion 30 umfasst. Die Source-Region 40, die Drain-Region 50 und die Körperregion 30 können aus Silicium (Si) oder jedem beliebigen anderen Halbleitermaterial hergestellt sein, das für einen Feldeffekttransistor verwendet werden kann. Die Source-Region 40 und die Drain-Region 50 können von einem ersten Leitfähigkeitstyp sein, und die Körperregion 30 kann von einem zweiten Leitfähigkeitstyp sein. Der erste Leitfähigkeitstyp kann ein n-Typ sein, und der zweite Leitfähigkeitstyp kann ein p-Typ sein, oder umgekehrt. Die Feldeffekttransistorstruktur 10 umfasst ferner eine Gate-Elektrode 70 und eine Gate-Isolierung oder Gate-Isolierungsschicht 60, die die Körperregion, die Source-Region und die Drain-Region von der Gate-Elektrode trennt. Die Gate-Elektrode 70 kann ein polykristallines Silicium sein, und die Gate-Isolierung 60 kann ein aus Siliciumdioxid (SiO2) hergestelltes Gate-Oxid sein. Die Gate-Elektrode 70 ist in elektrischem Kontakt mit einer Spannungsversorgung, die zum Einstellen einer Gate-Source-Spannung VGS ähnlich einem herkömmlichen Feldeffekttransistor verwendet werden kann. Diese Feldeffekttransistorstruktur kann einem herkömmlichen Feldeffekttransistor entsprechen oder für den Einsatz als Ionensensor angepasst werden. Beispielsweise können gemäß den hierin beschriebenen Verfahren die Form und die Abmessungen des Gate-Oxids 60 und/oder der Gate-Elektrode 70 oder die Gate-Drain-Kapazität an den Einsatz der Feldeffekttransistorstruktur als Ionensensor angepasst werden.
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In herkömmlichen Feldeffekttransistoren (FET) ist das Gate-Oxid von der Umgebung durch eine oder mehrere Schutzschichten geschützt, um das Oxid vor Ionen zu schützen, die sich aus der Umgebung in das Gate-Oxid bewegen. Ionen im Gate-Oxid können den Leistungsgrad und insbesondere die Transporteigenschaften des FET ändern, was bei eine, herkömmlichen FET für gewöhnlich eine ungewollte Wirkung ist. Die Transporteigenschaften betreffen die elektrischen Eigenschaften der Transistorvorrichtung und können eine Beziehung zwischen einem Drain-Strom ID und einer angelegten Gate-Source-Spannung VGS umfassen. Ein Beispiel für Transporteigenschaften ist in 2 veranschaulicht.
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Ein herkömmlicher FET wird für gewöhnlich zusätzlich mit einer oder mehreren Schutzschichten oder Passivierung verarbeitet, um Schutz gegen jede Übertragung oder jede Einbringung von mobilen Ionen in die Gate-Isolierung zu bieten. Beispielsweise kann eines oder können mehrere von Imid, Siliciumnitrid, (Bor-)Phosphorsilicatglas, eine oder mehrere Metallschichten, im Wesentlichen verschlossene Einhausung und/oder jede beliebige sonstige Struktur zu einer Gate-Isolierung als Ionenbarrieren, Schutzschichten oder Passivierung hinzugefügt werden, um die Gate-Isolierung vor Ionen zu schützen. In manchen Beispielen können die genannten Verfahren in jeder beliebigen Kombination zum Schützen der Gate-Isolierung vor Ionentransmission eingesetzt werden.
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Die vorliegende Offenbarung beschreibt eine Feldeffektstruktur mit zumindest einem Ionenzugangsbereich 80, der mobilen Ionen Zugang zur Gate-Isolierung 60 bereitstellt. In einem Beispiel kann der Ionenzugangsbereich 80 ein Bereich sein, der so angeordnet ist, dass es einer (in 3a dargestellte) Probe 90 ermöglicht wird, in im Wesentlichen direkten Kontakt mit der Gate-Isolierung 60 zu gelangen. In manchen Beispielen kann es sein, dass keine Schutzschicht oder Ionenbarriere verwendet wird. In anderen Beispielen kann der Ionenzugangsbereich 80 eine Schutzschicht umfassen, die zumindest für Ionen, die zu detektieren sind, permeabel ist. Beispielsweise kann eine Schutzschicht verwendet werden, die für Kaliumionen permeabel ist, während größere oder größere Moleküle blockiert werden können. In anderen Beispielen kann eine Schutzschicht auf der Feldeffektstruktur mit einer Öffnung am Ionenzugangsbereich angeordnet werden. In diesem Beispiel ist die Feldeffektstruktur auf die übliche Weise geschützt und kontaktiert die Probe die Feldeffektstruktur lediglich in einem konkreten Bereich. Die Öffnung in der Schutzschicht kann eine Vertiefung für die flüssige Probe bilden.
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Bei Verwendung kann eine Probe 90, die mobile Ionen umfasst, wie z. B. zumindest eines von Li+-, Na+-, K+-, Ca++, Mg++, Cl–-Ionen oder dergleichen, mit dem Ionenzugangsbereich 80 der Halbleitervorrichtung 10 in Kontakt gebracht werden, sodass mobile Ionen in die Gate-Isolierung 60 diffundieren können. Bei einer typischen Transistorvorrichtung kann die Diffusion von Ionen eine unerwünschte Wirkung sein, die die Transporteigenschaften, d. h. die elektrischen Eigenschaften des Transistors, verändern kann. Die Transporteigenschaften betreffen die elektrischen Eigenschaften der Transistorvorrichtung und können einen Bezug zwischen einem. Drain-Strom ID und einer angelegten Gate-Source-Spannung VGS umfassen. Gemäß den hierin beschriebenen Verfahren kann die Ionenkonzentration einer Probe basierend auf dem Messen der modifizierten Transporteigenschaften der Transistorvorrichtung 10, wenn die Ionenzugangsregion 80 mit einer Probe in Kontakt gebracht wird, bestimmt werden. Gemäß diesen Verfahren kann die Detektion solcher modifizierter Transporteigenschaften zur Bestimmung der Anzahl an in die Gate-Isolierung diffundierten Ionen verwendet werden, die wiederum auf ein Maß für die Ionenkonzentration in der Probe 90 hindeuten können. Die Transporteigenschaft der Feldeffekttransistorstruktur kann sich ändern, wenn, wie in 2 gezeigt, Ionen in der Gate-Isolierung 60 vorhanden sind. 2 zeigt ein Beispiel für eine modifizierte Transporteigenschaft, die gemessen und als Anzeige der Ionenkonzentration in einer Probe herangezogen werden kann. 2 zeigt den Drain-Strom ID der Halbleitervorrichtung 10 gegenüber einem angelegten Gate-Source-Potenzial VGS der Halbleitervorrichtung 10. Gemäß diesem Beispiel kann der Beginn eines elektrischen Stromflusses zwischen Source und Drain, IDon durch die sogenannte Schwellenspannung Vth definiert werden. Vth kann den Anfang von Inversion anzeigen, die Ansammlung von Minoritätsträgern an der Si-seitigen Seite der Gate-Isolierung/Si-Grenzfläche unter dem Einfluss einer entsprechenden VGS. Vth kann im Bereich von 0,1 V bis 3 V liegen und kann von der Geometrie und der Auslegung der Feldeffekttransistorstruktur 10 abhängen. Die Transporteigenschaften können dadurch eine konkrete Signatur einer Feldeffekttransistorstruktur mit bestimmten Eigenschaften und Abmessungen darstellen.
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Gemäß einem anderen Beispiel, das in 2 nicht dargestellt ist, ist eine andere Transporteigenschaft einer Feldeffekttransistorstruktur die Flachbandspannung VFB, die einen Punkt anzeigen kann, an dem die Konzentration von Majoritätsträgern im Volumsbereich des Si-Substrats gleich jener in der Nachbarschaft der Gate-Isolierung/Si-Grenzfläche ist.
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Im Kontakt mit einer Probe treten mobile Ionen in die Gate-Isolierung 60 ein und sammeln sich an der Gate-Isolierung/Halbleiter-Grenzfläche 63, und die Transporteigenschaften können sich weg von der Referenzkurve der Transporteigenschaften wegverschieben, wenn die Halbleitervorrichtung 10 nicht mit der Probe in Kontakt ist. Beispielsweise kann, wie in 2 gezeigt, die Schwellenspannung Vth bei Herstellung eines Kontakts mit einer Probe von einer Referenzkurve zu einem höheren oder niedrigen für Vth* verschoben werden. Außerdem kann, obwohl in 2 nicht dargestellt, VFB in Abhängigkeit von der Polarität der Ionen zu VFB* verschoben werden. Gemäß dem Beispiel aus 2 kann die verschobene ΔVth der Schwellenspannung von Vth zu Vth* gemessen werden und kann die gemessene Vth* zum Anzeigen einer Gegenwart und gegebenenfalls einer Polarität von in der Probe vorhandenen Ionen verwendet werden. In manchen Beispielen kann die verschobene ΔVth in mV-Wert quantifiziert und durch die Menge mobiler Ionen definiert werden, die an der Gate-Isolierung/Halbleitersubstrat-Grenzfläche 63 in der Gate-Isolierung vorliegt, was ΔVth zu einem Indikator für in der Gate-Isolierung 60 vorliegende Ionen macht. Die Auflösung der Konzentrationen mobiler Ionen, die mit solch einer Halbleitersensorvorrichtung detektiert werden kann, kann durch die Auflösungsfähigkeit der Verschiebung der Spannungen ΔVth oder ΔVFB der Vorrichtung definiert werden und kann im Millivolt-(mV-)Bereich liegen, was etwa 1E10 Ionen/cm2 entsprechen kann. Dies kann eine Gate-Isolierung/Halbleiter-Grenzfläche mit einer Ionenlast von einigen ppm einer Monoschicht auf der der Gate-Isolierung zugewandten Seite der Grenzfläche anzeigen. Dies ermöglicht eine Quantifizierung der Menge in die Gate-Isolierung eingebrachter mobiler Ionen.
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Für die vorliegende Offenbarung kommt ID die Rolle eines Hilfsstroms zu, der nur zum Aufzeichnen und Bestimmen der Transporteigenschaften verwendet wird. ID und die gesamte Feldeffekttransistorstruktur werden nicht zwangsläufig zum Schalten, zur Verstärkung oder für sonstige Zwecke verwendet. Die vorliegende Offenbarung jedoch kann mit Schalt- oder sonstigen Halbleitervorrichtungen kombiniert oder in diese integriert werden.
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Die 3A bis 3D sind konzeptuelle Diagramme, die in einem Beispiel allgemein veranschaulichen, wie Ionen in einer Probe bestimmt werden können. 3A veranschaulicht eine Halbleitervorrichtung 10 mit einer Zugangsregion 80 in Kontakt mit einem Tröpfchen einer Probe 90. In manchen Beispielen kann die Probe 90 eine flüssige oder eine feste Probe sein, die Erdalkaliionen enthält, z. B. Li+, Na+, K+, Ca+ +, Mg++ oder dergleichen. Diese Ionen sind mobil in der Probe und zu einem anderen Ausmaß auch in der Gate-Isolierung 60 und werden daher hierin als mobile Ionen bezeichnet. Beispielsweise kann die Probe eine flüssige Probe sein, z. B. Blut oder Urin, und kann die Vorrichtung zum Messen der K+-Konzentration im Blut verwendet werden. Die Vorrichtung kann jedoch ebenso für negative Ionen, wie z. B. Cl–, verwendet werden. Die flüssige Probe kann z. B. Wasser, Trinkwasser, ein Getränk, eine Elektrolytlösung, Abwasser, eine Körperflüssigkeit, wie z. B. Blut, Urin, oder jede beliebige sonstige Art von Flüssigkeit sein, und der Halbleitersensor kann zum spezifischen Bestimmen einer Ionenkonzentration in der Probe verwendet werden.
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Der erwähnte Ansatz zur Messung der Menge mobiler Ionen kann in medizinischen Messungen z. B. als K+ in Blutproben angewandt werden. Dies kann die Messung der K+-Konzentration in der Blutprobe ermöglichen, die in mmol/l (Millimol pro Liter flüssiger Probe) beschrieben werden kann. Gemäß einem konkreten Beispiel kann eine homogene K+-Konzentration in einer Blutprobe ~4 mmol/l (d. h. ~10 ppm oder ~1E18 Ionen/cm3) betragen. Das Detektieren von Verschiebungen der Transporteigenschaften mit Vorrichtungen (z. B. der Halbleitervorrichtung 10) basierend auf Feldeffektstrukturen kann eine Detektion einer Menge mobiler Ionen an der Gate-Oxid/Si-Grenzfläche bis zu etwa 1E10 Ionen/cm2 mit einer Genauigkeit von etwa 10 mV für ΔVth ermöglichen.
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In vielen Proben kann mehr als eine Art von Ionen vorhanden sein und kann eine Trennung der unterschiedlichen Arten von Ionen erforderlich sein.
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Um detektiert zu werden, können mobile Ionen aus einer Probe in die Gate-Isolierung 60 bewegt werden (3B). Die Probe kann im Wesentlichen in Kontakt mit dem Ionenzugangsbereich 80 gebracht werden, wie für die Feldeffekttransistorstruktur 10 aus 1 in 3A veranschaulicht.
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Des Weiteren können die mobilen Ionen sich aus der Probe 90 in die Gate-Isolierung 60 und insbesondere an die Gate-Isolierung/Halbleiterkörper-Grenzfläche 63 bewegen (3B und 3C).
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Der Transport der mobilen Ionen in isolierenden Materialien wie der Gate-Isolierung können thermodynamisch mithilfe von treibenden Kräften als Gradienten im chemischen Potenzial (Diffusion) oder in elektrischen Feldern (Drift) ermöglicht werden. Drift, Diffusion oder beide können zum Transportieren der mobilen Ionen aus der Probe in die Gate-Isolierung zur Quantifizierung verwendet werden, wie in den 3B und 3C veranschaulicht.
- (a) Diffusion. Verursacht durch chemische Gradienten, neigen mobile Ionen dazu, sich homogen über die gesamte Gate-Isolierung zu verteilen. Dieser Transport kann durch das zweite Fick'sche Diffusionsgesetz beschrieben werden, mit bestehenden analytischen Lösungen für die Situation, dass eine definierte Quelle für mobile Ionen an der Grenzfläche zwischen der mobile Ionen enthaltenden Probe und der Gate-Isolierung vorliegt. Die Diffusionskinetik variiert mit der Spezies der mobilen Ionen, im Allgemeinen im Zusammenhang mit ihren jeweiligen Ionenradien. Somit diffundieren kleinere Ionen viel schneller durch die Trennungsschicht. Diffusion kann daher durch Erhöhen der Temperatur in der Gate-Isolierung erhöht werden. Die Gate-Elektrode kann erwärmbar ausgelegt werden, um die Temperatur der Gate-Elektrode 70 und in weiterer Folge jene der angrenzenden Gate-Isolierung 60 zu erhöhen. Polykristallines Silicium kann für die erwärmbare Gate-Elektrode verwendet werden.
- (b) Drift: Unterschiede beim elektrischen Potenzial auf entgegengesetzten Seiten der Gate-Isolierung können ein elektrisches Feld verursachen, das als treibende Kraft für die Drift mobiler Ionen wirken kann. Gekoppelt mit dem Phänomen der Diffusion kann eine Tendenz vorliegen, das elektrochemische Gleichgewicht zu erreichen. Im Allgemeinen dominiert die Drift jedoch in signifikantem Maße über die Diffusion, was dazu führen kann, dass mobile Ionen in Richtung der Seite der Gate-Isolierung transportiert werden, die niedrigeres elektrisches Potenzial aufweist, die dadurch die Kathode des Systems darstellen kann. Die elektrische Drift lässt sich im Allgemeinen mithilfe des Ohmschen Gesetzes beschreiben. Indem die Gate-Isolierung als Widerstand gegen mobilen Ionentransport behandelt wird, kann die angelegte Spannung zu einem gewissen Fluss mobiler Ionen in Richtung der Kathode führen. Wird ein Gate-Source- und/oder ein Gate-Volums-Potenzial VGS (Volumsbereich und Source können auf demselben elektrischen Potenzial liegen) an die Feldeffekttransistorstruktur angelegt, kann ein elektrisches Feld über der Gate-Isolierung 60 entstehen, das mit einem Plattenkondensator vergleichbar ist, und Ionen, die in der Gate-Isolierung mobil sind, driften in der Gate-Isolierung, und Drift ist verglichen mit Diffusion der dominierende Faktor.
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Unter Einsatz einer Kombination aus Diffusion und Drift in einem als mechanische Temperatur-Vorspannung bezeichneten Vorgang, z. B. einer Kombination aus dem Erwärmen der Gate-Elektrode 70 (3B) und dem Anlegen und Einstellen einer elektrischen Spannung zwischen der Gate-Elektrode 70 und der Source-Region 40 und/oder der Volums- oder Körperregion 30 (3C), bewegen sich mobile Ionen unterschiedlicher Größe und Ladung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. So können unterschiedliche Spezies mobiler Ionen, wie z. B. Li+, Na+, K+, Ca++, Mg++, und andere Ionen getrennt werden, sodass nur eine Ionenspezies zur Grenzfläche Gate-Isolierung 60/Volums-Halbleiter (3C) transportiert werden kann und nur diese Spezies detektiert wird, wenn Vth, Vth * und/oder ΔVth bestimmt werden (3D). Temperaturen in der Gate-Isolierung können auf etwa 100°C bis etwa 500°C erhitzt werden. Etwa 200°C bis etwa 250°C können zum Trennen und Diffundieren der Ionen in der Gate-Isolierung eingesetzt werden.
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Ein Flussdiagramm eines Beispiels für einen Messvorgang ist in 4 veranschaulicht.
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Während 1 eine mögliche Feldeffekttransistorstruktur zum Detektieren von Ionen in einer Probe zeigt, zeigen die 5, 6 und 7 zusätzliche Beispiele für Feldeffekttransistorstrukturen, die ebenfalls zum Detektieren von Ionen in einer Probe verwendet werden können. Weitere Modifizierung von Kombinationen von in einem Beispiel gezeigten Merkmalen können mit anderen Beispielen kombiniert werden. Die oben unter Bezugnahme auf die 1 und 3 beschriebenen Verfahren können gleichermaßen auf die in den 5, 6 und 7 dargestellten Feldeffekttransistorstrukturen angewandt werden.
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5 zeigt eine vertikale Feldeffekttransistorstruktur 101, worin die Gate-Isolierung 601 und die Gate-Elektrode 701 in einem Graben angeordnet sind. Eine Körperregion 301 ist zwischen der Source-Region 401 und der Drain-Region 501 angeordnet. Beispielsweise kann die Körperregion vom p-Typ sein und können die Drain-Region 501 und die Source-Region 401 vom n-Typ sein.
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Gemäß dem Beispiel aus 5 ist die Gate-Elektrode 701 innerhalb des Grabens in der gleichen vertikalen Position angeordnet wie die Körperregion 301. Oberhalb der Gate-Elektrode 701 verbleibt ein Probenhohlraum 911, in den die Probenflüssigkeit 90 zugegeben werden kann. Der Hohlraum stellt ein definiertes Volumen für die Probe bereit.
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Wie im Beispiel aus 5 dargestellt, kann das Sensorprinzip der vorliegenden Offenbarung mit vertikalen Halbleiterstrukturen zum Einsatz kommen.
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6 zeigt ein weiteres Beispiel für eine laterale Feldeffekttransistorstruktur 102, die Hohlräume 912 bereitstellt, in die die flüssige Probe 90 eingefüllt werden kann. Gemäß dem Beispiel aus 6 ist die Gate-Isolierung 602 am Boden der Hohlräume 912 angeordnet und ist eine Gate-Elektrode 702 irgendwo auf der Gate-Isolierung 602 angeordnet. Eine Source-Region 402 mit Source-Kontakt 412, eine Volums-Region 302 mit einem Volums-Kontakt 312 und eine Drain-Region 502 mit Drain-Kontakt 512 können wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben angeordnet werden.
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7 zeigt ein weiteres Beispiel für eine laterale Feldeffekttransistorstruktur 103, die eine im Wesentlichen flache Oberfläche 903 bereitstellt, auf der die Probe 90 platziert werden kann. Gemäß dem Beispiel aus 7 kann kein Hohlraum gefüllt werden, was bei größeren Probenvolumina oder einer flüssigen Probe mit hoher Oberflächenspannung hilfreich sein kann. Gemäß dem Beispiel aus 7 ist ein Teil der planaren oder flachen Oberfläche 903 durch die Gate-Isolierung 603 bereitgestellt, die den Ionenzugangsbereich 803 ausbilden. Die Gate-Isolierung 603 kann schalenförmig oder U-förmig sein und durch eine Gate-Elektrode 703 gefüllt sein. Ein Schutzfüllmaterial 913 kann dazu verwendet werden, eine im Wesentlichen planare Oberfläche rund um den Ionenzugangsbereich 803 der Gate-Isolierung 603 bereitzustellen. Das Schutzfüllmaterial kann ein Nitrid oder ein Imid umfassen, das die Feldeffekttransistorstruktur 103 vor der Umgebung schützt.
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Eine Source-Region 403 mit Source-Kontakt 413, eine Volums-Region 303 mit einem Volums-Kontakt 313 und eine Drain-Region 503 mit Drain-Kontakt 513 kann ähnlich den unter Bezugnahme auf 1 oder 6 beschriebenen Beispielen angeordnet sein.
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Die unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellten und beschriebenen Beispiele betreffen Feldeffekttransistorstrukturen, d. h. Halbleiterstrukturen, die die Hauptmerkmale und Elemente des FET aufweisen. Die hierin beschriebenen Transistoren werden daher als Feldeffekttransistorstrukturen bezeichnet. Sie können in manchen Beispielen nicht direkt als Transistoren verwendet werden, und ihre Transistorfunktionen können beschränkt sein.
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Manche der dargestellten Beispiele zeigen die Probe 90 der Einfachheit halber in der Nähe von oder in Kontakt mit der Gate-Elektrode 70, 701, 702, 703. Mobile Ionen aus der Probe dürfen nicht in die Gate-Elektrode 70, 701, 702, 703 diffundieren. In anderen Beispielen kann eine Isolierungs- und/oder Barriereschicht zwischen der Probe 90 und der Gate-Elektrode 70, 701, 702, 703 angeordnet werden, um jede Wechselwirkung der Probe oder Bestandteilen der Probe mit der Gate-Elektrode 70, 701, 702, 703 zu vermeiden.
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Die hierin dargestellten Beispiele weisen einen Probenzugangsbereich in großer Nähe zur Gate-Isolierung 60, 601, 602, 603 und in der Nähe der Gate-Elektrode 70, 701, 702, 703 auf. In anderen Beispielen kann der Ionenzugangsbereich an einer anderen Position angeordnet sein. Die Gate-Isolierung kann dann in Kontakt mit einem anderen Diffusionsmaterial sein, um die mobilen Ionen in die Gate-Isolierung zu transportieren. Das Diffusionsmaterial kann ein Feldoxid (FOX) in Kontakt mit dem Gate-Oxid sein. Mobile Ionen können dann aus dem Ionenzugangsbereich zu dem Gate-Oxid mit größerer Diffusionslänge diffundieren.
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Zwar wurden die Beispiele hierin unter Bezugnahme auf unterschiedliche Feldeffekttransistorstrukturen (FET- und MOSFET-Strukturen) beschrieben, die Erfindung kann aber auch mit anderen Feldeffekt- oder torgesteuerten Halbleitervorrichtungen angewandt werden, z. B. IGBT oder torgesteuerten Dioden.
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Wenngleich hierin konkrete Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben wurden, ist für Fachleute klar, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen anstelle der dargestellten und beschriebenen konkreten Ausführungsformen eingesetzt werden können, ohne dabei vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anwendung soll Anpassungen und Variationen der hierin besprochenen konkreten Ausführungsformen abdecken. Es ist vorgesehen, dass diese Erfindung lediglich durch die Patentansprüche und deren Äquivalente eingeschränkt ist.
