DE19502862B4 - FET-based sensor - Google Patents

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Abstract

Sensor auf der Basis eines Feldeffekttransistors mit einem durch ein Gatedielektrikum von einem Substrat isolierten Gatekontakt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gatedielektrikum eine Schicht aus amorphem wasserstoffhaltigem Kohlenstoff (a-C:H) mit einer Grenzflächenzustandsdichte ≤ 5·1011 cm–2·eV–1 ist, und dass an die Oberfläche der a-C:H-Schicht für biochemisch aktive Substanzen sensitive Gruppen gebunden sind.Sensor based on a field effect transistor with a gate contact isolated from a substrate by a gate dielectric, characterized in that the gate dielectric is a layer of amorphous hydrogen-containing carbon (aC: H) with an interface state density ≤ 5 · 10 11 cm −2 · eV −1 , and that sensitive groups for biochemically active substances are bound to the surface of the aC: H layer.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor auf FET-Basis (FET = Feldeffekttransistor).The The invention relates to a sensor based on FET (FET = field effect transistor).

In MOSFET-Bauelementen (MOSFET = Metal Oxide Semiconductor-Feldeffekttransistor) wird der Stromfluß zwischen Drain und Source durch Anlegen einer Steuerspannung am Gate gesteuert. Das Potential am Gatekontakt beeinflußt die Ausbildung oder die Aufhebung eines leitfähigen Kanals (Inversionsschicht) im Halbleitergrundmaterial (Silizium) unterhalb des Gatekontaktes: Transistoren vom Anreicherungs- bzw. Verarmungstyp (siehe dazu: G. Bohle, E. Hofmeister "Halbleiterbauelemente für die Elektronik", Siemens Aktiengesellschaft, Seiten 34 und 35, sowie: R. Müller "Bauelemente der Halbleiter-Elektronik", 3. Auflage, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1987, Seiten 158 bis 161).In MOSFET devices (MOSFET = Metal Oxide Semiconductor field effect transistor) the current flow between Drain and source controlled by applying a control voltage to the gate. The potential at the gate contact influences the training or the Lifting a conductive Channel (inversion layer) in the semiconductor base material (silicon) below the gate contact: transistors from the enrichment or Depletion type (see: G. Bohle, E. Hofmeister "Semiconductor Components for the Electronics ", Siemens Aktiengesellschaft, pages 34 and 35, as well as: R. Müller "Components of semiconductor electronics", 3rd edition, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1987, pages 158 to 161).

Um einen elektrischen Kurzschluß zwischen dem Gatekontakt und dem Siliziumsubstrat zu vermeiden, wird der Gatekontakt durch eine Isolatorschicht (Gateoxid) vom Substrat isoliert. An diese Schicht wird eine Reihe von Anforderungen gestellt, damit das von außen wirkende elektrische Feld durch den Isolator auf das Halbleitermaterial durchgreifen kann. So muß die Isolatorschicht dünn (ca. 100 nm) und durchschlagsfest sein, sie darf keine Pinholes aufweisen und muß eine niedrige Grenzflächenzustandsdichte besitzen (ca. 1011 cm–2·eV–1). Das Gateoxid wird im allgemeinen durch thermische Oxidation des Siliziumsubstrats erzeugt (siehe dazu: I. Ruge "Halbleiter-Technologie", 2. Auflage, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1984, Seiten 352 bis 357).In order to avoid an electrical short circuit between the gate contact and the silicon substrate, the gate contact is insulated from the substrate by an insulator layer (gate oxide). This layer is subject to a number of requirements so that the external electrical field can penetrate through the insulator to the semiconductor material. For example, the insulator layer must be thin (approx. 100 nm) and puncture-proof, it must not have any pinholes and it must have a low density of interfaces (approx. 10 11 cm -2 · eV –1 ). The gate oxide is generally produced by thermal oxidation of the silicon substrate (see: I. Ruge "Semiconductor Technology", 2nd edition, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1984, pages 352 to 357).

Das Prinzip der Stromsteuerung durch Anlegen eines entsprechenden Steuerpotentials am Gate kann auch genutzt werden, um Sensoren zu realisieren. Hierzu wird das Gate – anstelle eines Metallkontaktes – mit einer leitfähigen Flüssigkeit in Berührung gebracht, d.h. kontaktiert, wobei in der Flüssigkeit eine Bezugselektrode angeordnet ist. Auf diese Weise liegt am Gate ein Potential an, welches im wesentlichen vom Potentialunterschied zwischen der Gateisolatoroberfläche und dem Halbleitermaterial, d.h. dem Siliziumsubstrat, abhängt (siehe dazu: P. Bergveld, A. Sibbald "Analytical and Biomedical Applications of Ion-Sensitive Field-Effect Transistors", Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam 1988, Seiten 39 bis 49).The Principle of current control by applying a corresponding control potential at the gate can also be used to implement sensors. For this will be the gate - instead a metal contact - with a conductive liquid brought into contact i.e. contacted, a reference electrode in the liquid is arranged. In this way there is a potential at the gate which essentially depends on the potential difference between the gate insulator surface and the semiconductor material, i.e. the silicon substrate (see in addition: P. Bergveld, A. Sibbald "Analytical and Biomedical Applications of Ion-Sensitive Field-Effect Transistors ", Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam 1988, pages 39 to 49).

Der Drain-Source-Strom eines auf diese Weise realisierten ionenselektiven Feldeffekttransistors, kurz ISFET, ist abhängig vom Oberflächenpotential der Gateisolatoroberfläche und damit beispielsweise von der Ionenkonzentration in der Flüssigkeit. Nach diesem Prinzip lassen sich sowohl ionen- als auch pH-sensitive Feldeffekttransistoren realisieren. Ein wesentlicher Punkt ist dabei, daß die Flüssigkeit nicht direkt mit dem Halbleitermaterial in Kontakt kommt, d.h. daß das Gatematerial dicht gegen das zu untersuchende Medium ist.The Drain-source current of an ion-selective realized in this way Field effect transistor, ISFET for short, depends on the surface potential the gate insulator surface and thus, for example, of the ion concentration in the liquid. According to this principle, both ion and pH sensitive field effect transistors can be realized. An important point is that the liquid is not directly with the Semiconductor material comes into contact, i.e. that the gate material is tight against is the medium to be examined.

Derzeit werden die Gatebereiche von in herkömmlicher Technologie hergestellten Feldeffekttransistoren, bei denen das Gatematerial ein – gegebenenfalls mit Si3N4 versehenes – thermisches Oxid ist, mit geeigneten elektroaktiven Membranmaterialien versehen (siehe P. Bergveld et al., a.a.O., Seiten 46 bis 48). Zu diesem Zweck dienen Schichtaufbauten der Art SiO2/Membran oder SiO2/Parylen/Membran (Parylen ist ein plasmapolymerisiertes aromatisches Polymer). Auch eine organische Parylenschicht kann verwendet werden, um ionenselektive Moleküle kovalent an der Oberfläche zu fixieren; hierbei sind jedoch umständliche Mehrschichtaufbauten, wie SiO2/Si3N4/Parylen, notwendig, um die geforderte Dichtigkeit gegen die Analysenlösung zu erreichen (siehe P. Bergveld et al., a.a.O., Seite 43). Die damit zwangsläufig verbundene relativ große Schichtdicke beeinträchtigt aber die Empfindlichkeit des Sensorelementes.Currently, the gate regions of field-effect transistors manufactured using conventional technology, in which the gate material is a thermal oxide, optionally provided with Si 3 N 4 , are provided with suitable electroactive membrane materials (see P. Bergveld et al., Op. Cit., Pages 46 to 48). , Layer structures of the type SiO 2 / membrane or SiO 2 / parylene / membrane (parylene is a plasma-polymerized aromatic polymer) are used for this purpose. An organic parylene layer can also be used to fix ion-selective molecules covalently to the surface; However, cumbersome multilayer structures, such as SiO 2 / Si 3 N 4 / parylene, are necessary to achieve the required tightness against the analytical solution (see P. Bergveld et al., op. cit., page 43). However, the inevitably associated relatively large layer thickness affects the sensitivity of the sensor element.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor auf FET-Basis derart auszugestalten, daß das Gatematerial – auch in dünner Schicht – eine kovalente Ankopplung von Sensormolekülen erlaubt und gleichzeitig die elektrische bzw. elektronische Funktion mit den gestellten Anforderungen erfüllt, so daß die Funktionsfähigkeit des Sensors gewährleistet ist.task the invention is to design a sensor based on FET in such a way that this Gate material - too in thinner Layer - one covalent coupling of sensor molecules allowed and at the same time the electrical or electronic function with the requirements Fulfills, So that the operability of the sensor guaranteed is.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Gatedielektrikum eine Schicht aus amorphem wasserstoffhaltigem Kohlenstoff (a-C:H) ist, der eine Grenzflächenzustandsdichte ≤ 5·1011 cm–2·eV–1 aufweist, und daß an die Oberfläche der a-C:H-Schicht Gruppen gebunden sind, welche für biochemisch aktive Substanzen sensitiv sind.This is achieved according to the invention in that the gate dielectric is a layer of amorphous hydrogen-containing carbon (aC: H) which has an interface state density ≤ 5 · 10 11 cm −2 · eV −1 , and that on the surface of the aC: H layer Groups are bound which are sensitive to biochemically active substances.

Beim Sensor nach der Erfindung wird durch die biochemisch aktiven Substanzen das Gatepotential beeinflußt, und damit ist eine Detektion dieser Substanzen möglich. Wichtig ist dabei, daß die Reaktion zwischen den biochemisch aktiven Substanzen und den sensitiven Gruppen des Sensors reversibel ist.At the Sensor according to the invention is by the biochemically active substances affects the gate potential, and this enables detection of these substances. It is important that the reaction between the biochemically active substances and the sensitive groups of the sensor is reversible.

Die sensitiven Gruppen sind insbesondere Enzyme, wie Glucoseoxidase, und Komplexbildner, beispielsweise in Form geeigneter Käfigverbindungen. Die zu detektierenden biochemisch aktiven Substanzen sind beispielsweise Glucose, Fructose, Lactat, Harnstoff und Kaliumionen (K+).The sensitive groups are in particular enzymes, such as glucose oxidase, and complexing agents, for example in the form of suitable cage compounds. The biochemically active substances to be detected are, for example, glucose, fructose, lactate, urea and potassium ions (K + ).

Die sensitiven Gruppen sind vorzugsweise über Haftvermittler an die a-C:H-Schicht gekoppelt; es kann aber auch eine direkte Anbindung an die a-C:H-Oberfläche erfolgen, d.h. ohne Verwendung eines Haftvermittlers. Als Haftvermittler dienen beispielsweise Aminoalkyl-alkoxysilane, die zur Anbindung der sensitiven Gruppen mit aliphatischen Dialdehyden behandelt werden. Weitere geeignete Haftvermittler sind Glycidoxypropyl-alkoxysilane sowie reaktive aliphatische und aromatische Carbonsäurederivate, wie Säurechloride und Anhydride.The sensitive groups are preferred coupled to the aC: H layer via adhesion promoters; however, a direct connection to the aC: H surface can also take place, ie without using an adhesion promoter. Aminoalkyl alkoxysilanes, for example, serve as adhesion promoters and are treated with aliphatic dialdehydes to bind the sensitive groups. Other suitable adhesion promoters are glycidoxypropyl alkoxysilanes and reactive aliphatic and aromatic carboxylic acid derivatives, such as acid chlorides and anhydrides.

Ein besonderes Merkmal des beim Sensor nach der Erfindung eingesetzten amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoffs ist seine niedrige Grenzflächenzustandsdichte, die ≤ 5·1011 cm–2·eV–1 beträgt. Ein derartiges Material ist bekannt und wird durch eine Wasserstoffbehandlung von a-C:H bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck erhalten (siehe dazu EP 0 617 462 A2 ).A special feature of the amorphous hydrogen-containing carbon used in the sensor according to the invention is its low interface state density, which is 5 5 · 10 11 cm −2 · eV −1 . Such a material is known and is obtained by hydrogen treatment of aC: H at elevated temperature and pressure (see also EP 0 617 462 A2 ).

Die a-C:H-Schicht, die vorteilhaft strukturiert ist, besitzt im allgemeinen einen optischen Bandabstand zwischen 0,8 und 2,7 eV. Zur Erzielung guter Isoliereigenschaften beträgt der optische Bandabstand vorzugsweise 0,9 bis 1,7 eV. Die a-C:H-Schicht weist an ihrer Oberfläche vorteilhaft sauerstoffhaltige Gruppen auf, wobei die Sauerstoffkonzentration vorzugsweise zwischen 1 und 20 Atom-% liegt.The a-C: H layer, which is advantageously structured, generally has an optical bandgap between 0.8 and 2.7 eV. To achieve good insulation properties the optical bandgap preferably 0.9 to 1.7 eV. The a-C: H layer instructs their surface advantageous oxygen-containing groups, the oxygen concentration is preferably between 1 and 20 atomic%.

Die Herstellung des Gatedielektrikums erfolgt durch plasmachemische Abscheidung von a-C:H-Schichten. Diese Schichten lassen sich auf Siliziumsubstraten in dünner Schicht (ca. 100 bis 500 nm) stoffschlüssig aus einem Kohlenwasserstoffplasma abscheiden (RF-Anregung, kapazitive Ankopplung, Selfbias-Spannung zwischen –200 und –900 V); sie besitzen eine ausreichende Dichtigkeit gegen Wasser bzw. wäßrige Medien und sind photostrukturierbar (siehe dazu: H. Reichl (Editor) "Micro Systems Technologies 90", Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1990, Seiten 307 bis 312). Durch eine geeignete Wasserstoffhochdruckhandlung wird eine ausreichend niedrige Grenzflächenzustandsdichte erzielt (siehe EP 0 617 462 A2 ).The gate dielectric is produced by plasma chemical deposition of aC: H layers. These layers can be deposited on silicon substrates in a thin layer (approx. 100 to 500 nm) from a hydrocarbon plasma (RF excitation, capacitive coupling, self-bias voltage between –200 and –900 V); they are sufficiently impervious to water or aqueous media and can be photostructured (see: H. Reichl (Editor) "Micro Systems Technologies 90", Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1990, pages 307 to 312). Appropriate high-pressure hydrogen action achieves a sufficiently low interface state density (see EP 0 617 462 A2 ).

In einem nachfolgenden Ätzschritt mit einem Sauerstoffplasma werden auf den a-C:H-Schichten oberflächlich sauerstoffhaltige Anknüpfungsstellen erzeugt (OH, COOH, CO), an welche – gegebenenfalls über zusätzliche Kopplungsmoleküle, wie Aminoalkyl-alkoxysilane, Glycidoxypropyl-alkoxysilane und reaktive Carbonsäurederivate – die Sensormoleküle, beispielsweise Enzyme, angekoppelt werden können. An derartige Schichten angekoppelte Enzyme zeigen im fixierten Zustand eine ausreichende Enzymaktivität, welche zur Detektion entsprechender Moleküle bei einem ChemFET dienen kann.In a subsequent etching step With an oxygen plasma, the a-C: H layers become superficially oxygen-containing Links created (OH, COOH, CO), to which - if necessary via additional Coupling molecules, such as aminoalkyl alkoxysilanes, glycidoxypropyl alkoxysilanes and reactive ones Carboxylic acid derivatives - the sensor molecules, for example Enzymes that can be coupled. Enzymes coupled to such layers show in the fixed state sufficient enzyme activity, which are used to detect corresponding molecules in a ChemFET can.

Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung noch näher erläutert werden.Based of embodiments the invention is intended to be closer explained become.

Eine Siliziumscheibe (p-dotiertes Si; Widerstand: 60 Ω·cm) wird – nach einer Vorbehandlung (Sputtern in Argon für 2 min bei 0,2 mbar und einer Selfbias-Spannung von –900 V) – in einem RF-angeregten (RF = Radiofrequenz, d.h. 0,1 bis 100 MHz), kapazitiv angekoppelten CH4-Plasma (siehe dazu beispielsweise DE 37 25 700 A1 bzw. US-PS 5 055 421 ) bei einem Druck von 1 mbar und einer Selfbias-Spannung von –420 V mit a-C:H beschichtet (Schichtdicke: 0,45 μm; optischer Bandabstand: 1,06 eV). Zur Verbesserung der Grenzflächenzustandsdichte wird das derart beschichtete Siliziumsubstrat in einem Autoklaven mit 200 bar Wasserstoff beaufschlagt und 8 h auf einer Temperatur von ca. 275°C gehalten (Innendruck: ca. 400 bar). An dem dabei erhaltenen a-C:H wird an der C/Si-Grenzfläche eine Grenzflächenzustandsdichte von 21011 cm–2·eV–1 ermittelt (Auswertung aus der C-V-Kennlinie nach E.H. Nicollian, J.R. Brews "MOS (Metal Oxide Semiconductor) Physics and Technology", John Wiley & Sons, New York, 1982, Seiten 325 bis 328). Nach der Wasserstoffhochdruckbehandlung wird das Siliziumsubstrat 20 s in einem Sauerstoffplasma behandelt (0,2 mbar, –500 V Selfbias-Spannung), wodurch sich oberflächlich (in einer Tiefe von 2 bis 5 nm) ein Sauerstoffgehalt von 16,8 Atom-% ergibt (Kohlenstoffgehalt: 80 Atom-%; Stickstoffgehalt: 1,1 Atom-%; Sauerstoffgehalt im Bulk: 0,6 Atom-%).A silicon wafer (p-doped Si; resistance: 60 Ω · cm) is - after pretreatment (sputtering in argon for 2 min at 0.2 mbar and a self-bias voltage of –900 V) - in an RF-excited (RF = Radio frequency, ie 0.1 to 100 MHz), capacitively coupled CH 4 plasma (see for example DE 37 25 700 A1 respectively. U.S. Patent 5,055,421 ) coated with aC: H at a pressure of 1 mbar and a self-bias voltage of –420 V (layer thickness: 0.45 μm; optical bandgap: 1.06 eV). To improve the density of the interface states, the silicon substrate coated in this way is charged with 200 bar of hydrogen in an autoclave and kept at a temperature of approx. 275 ° C. for 8 hours (internal pressure: approx. 400 bar). At the aC: H obtained in this way, an interface state density of 21011 cm −2 · eV −1 is determined at the C / Si interface (evaluation from the CV characteristic curve according to EH Nicollian, JR Brews "MOS (Metal Oxide Semiconductor) Physics and Technology ", John Wiley & Sons, New York, 1982, pages 325 to 328). After the high-pressure hydrogen treatment, the silicon substrate is treated in an oxygen plasma for 20 s (0.2 mbar, −500 V self-bias voltage), which results in an oxygen content of 16.8 atomic% on the surface (at a depth of 2 to 5 nm) ( Carbon content: 80 atom%; nitrogen content: 1.1 atom%; bulk oxygen content: 0.6 atom%).

Eine Probe des auf die vorstehend genannte Weise hergestellten Substrats mit den Abmessungen 2,5 cm × 1 cm wird in einen Exsikkator eingebracht und dort gehaltert. Bei einem Druck von ca. 15 mbar werden durch ein Septum 0,1 ml 3-Aminopropyltriethoxysilan unter die Probe eingespritzt. Nach einer Einwirkungsdauer von 5 min wird der Exsikkator belüftet. Der auf die Probe aufgedampfte Haftvermittler wird anschließend 15 min bei 150°C eingebrannt. Anschließend wird die Probe in einer 5%igen Glutardialdehydlösung 2 h bei Raumtemperatur auf einem Schütteltisch geschüttelt (50 min–1). Nach gründlichem Spülen mit einem Puffer (pH 7,2) wird die Probe in 40 ml einer Glucoseoxidaselösung (120 mg Glucoseoxidase mit einer Aktivität von 252 U/mg in 40 ml eines Puffers mit pH 7,2) eingebracht und 24 h bei Raumtemperatur auf dem Schütteltisch geschüttelt (50 min–1). Anschließend wird 5 min mit einer 1 M NaCl-Lösung extrahiert und gründlich mit einem Puffer (pH 7,2) gespült; die Probe wird dann in diesem Puffer gelagert. Zur Bestimmung der Enzymaktivität wird die Probe in 4 ml einer 1,25%igen D-(+)-Glucoselösung eingebracht. Bei 25°C wird 30 min kräftig mit gereinigter Preßluft begast. Danach wird mit einem enzymatischen Glucosetest (Granutest 100, Diagnostica Merck Nr. 12193) der Restzuckergehalt bestimmt. Aus dem gemessenen D-(+)-Glucoseabbau errechnet sich für die Probe eine Enzymaktivität von 0,4 μmol/min; nach drei Tagen beträgt die Enzymaktivität 0,22 μmol/min.A sample of the substrate with the dimensions 2.5 cm × 1 cm produced in the above-mentioned manner is placed in a desiccator and held there. At a pressure of approx. 15 mbar, 0.1 ml of 3-aminopropyltriethoxysilane is injected into the sample through a septum. After 5 minutes of exposure, the desiccator is aerated. The adhesion promoter evaporated onto the sample is then baked at 150 ° C. for 15 minutes. The sample is then shaken in a 5% glutardialdehyde solution for 2 hours at room temperature on a shaking table (50 min -1 ). After thorough rinsing with a buffer (pH 7.2), the sample is introduced into 40 ml of a glucose oxidase solution (120 mg glucose oxidase with an activity of 252 U / mg in 40 ml of a buffer with pH 7.2) and applied for 24 hours at room temperature shaken the shaking table (50 min –1 ). The mixture is then extracted for 5 min with a 1 M NaCl solution and rinsed thoroughly with a buffer (pH 7.2); the sample is then stored in this buffer. To determine the enzyme activity, the sample is placed in 4 ml of a 1.25% D - (+) - glucose solution. At 25 ° C, gassing with purified compressed air is vigorous for 30 min. The residual sugar content is then determined using an enzymatic glucose test (Granutest 100, Diagnostica Merck No. 12193) certainly. From the measured D - (+) - glucose breakdown, an enzyme activity of 0.4 μmol / min is calculated for the sample; after three days the enzyme activity is 0.22 μmol / min.

Claims (7)

Sensor auf der Basis eines Feldeffekttransistors mit einem durch ein Gatedielektrikum von einem Substrat isolierten Gatekontakt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gatedielektrikum eine Schicht aus amorphem wasserstoffhaltigem Kohlenstoff (a-C:H) mit einer Grenzflächenzustandsdichte ≤ 5·1011 cm–2·eV–1 ist, und dass an die Oberfläche der a-C:H-Schicht für biochemisch aktive Substanzen sensitive Gruppen gebunden sind.Sensor based on a field effect transistor with a gate contact isolated from a substrate by a gate dielectric, characterized in that the gate dielectric is a layer of amorphous hydrogen-containing carbon (aC: H) with an interface state density ≤ 5 · 10 11 cm −2 · eV −1 , and that sensitive groups for biochemically active substances are bound to the surface of the aC: H layer. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die a-C:H-Schicht einen optischen Bandabstand zwischen 0,9 und 1,7 eV besitzt.Sensor according to claim 1, characterized in that the a-C: H layer has an optical bandgap between 0.9 and 1.7 eV. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die a-C:H-Schicht strukturiert ist.Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the a-C: H layer is structured. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die a-C:H-Schicht an der Oberfläche sauerstoffhaltige Gruppen mit einer Konzentration zwischen 1 und 20 Atom-% aufweist.Sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the a-C: H layer on the surface oxygen-containing groups with a concentration between 1 and Has 20 atomic%. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sensitiven Gruppen Enzyme oder Komplexbildner sind.Sensor according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the sensitive Groups are enzymes or complexing agents. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die sensitiven Gruppen über Haftvermittler an die a-C:H-Schicht gekoppelt sind.Sensor according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the sensitive Groups over Adhesion promoters are coupled to the a-C: H layer. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftvermittler mit aliphatischen Dialdehyden behandelte Aminoalkyl-alkoxysilane, Glycidoxy propyl-alkoxysilane und reaktive aliphatische oder aromatische Carbonsäurederivate sind.Sensor according to claim 6, characterized in that the adhesion promoter aminoalkyl alkoxysilanes treated with aliphatic dialdehydes, Glycidoxy propyl alkoxysilanes and reactive aliphatic or aromatic Carboxylic acid derivatives are.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3725700A1 (en) * 1987-08-03 1989-02-16 Siemens Ag NEW SEMICONDUCTOR BASE MATERIAL
EP0617462A2 (en) * 1993-03-09 1994-09-28 Siemens Aktiengesellschaft Hydrogen containing amorphous carbon

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3725700A1 (en) * 1987-08-03 1989-02-16 Siemens Ag NEW SEMICONDUCTOR BASE MATERIAL
US5055421A (en) * 1987-08-03 1991-10-08 Siemens Aktiengesellschaft Method for the plasma deposition of hydrogenated, amorphous carbon using predetermined retention times of gaseous hydrocarbons
EP0617462A2 (en) * 1993-03-09 1994-09-28 Siemens Aktiengesellschaft Hydrogen containing amorphous carbon

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BERGVELD, P., SIBBALD, A.: Analytical and Biome- dical Application of Ion-Sensiitive Field-Effect- Transistors, Elsevier Science Pub. 1988, S. 39-49 *
BOHLE, G., HOFMEISTER, E.: Halbleiterbauelemente für die Elektronik, Siemens AG, S. 34/35 *
ICOLLIAN, E.H., DREWS, J.R.: MOS Physics and Technology, John Wiley 1982, S. 325-328 *
MÜLLER, R.: Bauelemente der Halbleiter-Elektronik, 3. Aufl., Springer-Verlag 1987, S. 158-161
MÜLLER, R.: Bauelemente der Halbleiter-Elektronik,3. Aufl., Springer-Verlag 1987, S. 158-161 *
NICOLLIAN, E.H., DREWS, J.R.: MOS Physics and Technology, John Wiley 1982, S. 325-328
RUGE, I.: Halbleiter-Technologie, 2. Aufl., Springer-Verlag 1984, S. 352-357 *

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