EP1606600A2 - Sensor element with self-supporting bar structures made of group iii nitride based semiconductors - Google Patents

Sensor element with self-supporting bar structures made of group iii nitride based semiconductors

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EP1606600A2
EP1606600A2 EP04721498A EP04721498A EP1606600A2 EP 1606600 A2 EP1606600 A2 EP 1606600A2 EP 04721498 A EP04721498 A EP 04721498A EP 04721498 A EP04721498 A EP 04721498A EP 1606600 A2 EP1606600 A2 EP 1606600A2
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EP
European Patent Office
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semiconductor layer
substrate base
sensor element
semiconductor
homogeneous
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04721498A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Mike Kunze
Ingo Daumiller
Peter Benkart
Erhard Kohn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Microgan GmbH
Original Assignee
Microgan GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
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    • GPHYSICS
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    • G01L1/2293Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges of the semi-conductor type
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    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
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    • G01P15/0922Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by piezoelectric pick-up of the bending or flexing mode type
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Definitions

  • Sensor elements with self-supporting beam structures made of semiconductors based on Group III nitride
  • the present invention relates to a sensor element which has a semiconductor structure based on group III nitride (for example made of GaN, A1N or InN), the change in a physical variable (for example a static and / or dynamic pressure - for example in flows of gases or fluids - acoustic vibrations, acceleration, deflection or temperature) is determined in that the semiconductor structure converts the change in the physical quantity by means of its piezoelectric properties into an electrical output quantity or a corresponding output signal.
  • group III or main group III is used as an abbreviation for the third main group of the periodic table of the elements.
  • Microsensors based on semiconductor structures based on group III nitride are already known from the prior art.
  • US Pat. No. 0,066,319 shows a micromembrane which is coupled to a substrate. A change in pressure causes the membrane to bulge. This bulge is detected with the help of a stress sensor attached to the membrane and converted into an electrically measurable signal by the stress sensor.
  • a semiconductor sensor element which, on the basis of a substrate, has an integrated, self-supporting, homogeneous semiconductor layer in such a way that the self-supporting, integrated, homogeneous semiconductor layer changes a physical quantity by changing its spatial state (for example a deflection) is converted by means of its piezoelectric properties into a measurable electrical output signal which can be derived directly from the homogeneous semiconductor layer by means of lead contacts attached directly to, on and / or below the homogeneous semiconductor layer.
  • Another object of the invention is to provide a corresponding measurement method and a corresponding method for structuring semiconductor sensor elements according to the invention.
  • a sensor element according to claim 1 by a measuring method according to claim 50 and by a semiconductor structuring method according to claim 53.
  • Advantageous developments of the sensor element according to the invention and the method according to the invention are described in the respective dependent claims.
  • the term “homogeneous semiconductor layer” is understood to mean a layer constructed uniformly in the entire layer volume from a semiconductor material based on Group III nitride (for example GaN).
  • a heterostructure has at least two homogeneous semiconductor layers arranged on or next to one another (for example AlGaN / GaN heterostructure: AlGaN layer on GaN layer).
  • the group III nitride-based semiconductor structures used according to the invention are distinguished from conventional structures by their piezoelectric properties. These can be used for mechanical sensors, since a polarization which is rectified across the crystal and depends on the tension in the material arises, which can be evaluated, for example, by changing the charge carrier density on the surface or at the interface with another material (heterostructure, for example AlGaN / GaN). The charge carriers result directly from the polarization.
  • the basis of the sensors according to the invention is a mechanical change in the grid, which results in an electrically measurable change in the structure. As is known from theory, the polarization in the material and thus the charge carrier density in a heterostructure channel change with the change in
  • Lattice constants are thus a heterostructure channel, since a sufficient charge carrier density can be reliably achieved in this channel.
  • the exploitation of the properties of a heterostructure or the heterostructure channel is however, a sensor structure according to the invention is not absolutely necessary: it has been shown that a sufficiently high signal-deflection ratio can also be achieved with homogeneous semiconductor layers (for example made of undoped GaN). Only one bulk material (GaN, InN, A1N, AlGaN, InGaN) is therefore sufficient for sensor applications.
  • the piezoelectric material properties can be used to produce structures that do not require doping with foreign atoms in order to generate the conductivity. Combination with " doping " is also possible (p- or n-doping, for example of the bulk material for better contact). Since the piezo properties of the material the free charge carriers in the bulk materials or
  • Influencing structures the manipulation of the piezo properties is used according to the invention to create sensor components. Here 'acted in the component te via an external influence on the free Ladungslicdich-.
  • the components produced on machinable substrates are partially or completely exposed from the substrate.
  • nitrides also enable the integration of the sensor components with electrical or electronic circuits. These can be, for example, compensation circuits (for example against external influences) or amplifier circuits (for example for signal amplification).
  • a semiconductor sensor element has a substrate base and a homogeneous semiconductor layer based on nitrides of main group III elements arranged on this substrate base, the surface of the homogeneous semiconductor layer facing the substrate base at least partially not directly adjoining the substrate base or a distance from it Homogeneous semiconductor layer facing surface of the substrate base and is characterized in that at least two electrical lead contacts for deriving an electrical output signal that can be generated by the homogeneous semiconductor layer due to a change in a physical quantity to be determined with the aid of the semiconductor sensor element directly on, at and / or below the homogeneous Semiconductor layer are arranged or are integrated into this.
  • At least one of the contacts is arranged in the region of the region (distance region) of the homogeneous semiconductor layer that is not directly adjacent to the substrate base or at a distance from the surface of the substrate base, and at least one of the contacts in the region of a directly on the region of the homogeneous semiconductor layer which is adjacent to the substrate base or has no distance from the surface of the substrate base (non-spaced region) orderly.
  • the homogeneous semiconductor layer has an elevation region or mesa region which, in the direction perpendicular to the surface of the substrate base facing the homogeneous semiconductor layer, has a greater thickness than a region in this direction in a direction parallel to that of the homogeneous semiconductor layer-facing surface of the substrate base adjacent region (non-mesa region) of the homogeneous semiconductor layer.
  • the elevation area or mesa area is arranged in such a way that it extends in a direction parallel to the surface of the substrate base facing the homogeneous semiconductor layer partially over the distance area of the homogeneous semiconductor layer and that it partially extends over the non-distance area of the homogeneous semiconductor layer extends.
  • the transition from the spacing region to the non-spacing region takes place in the direction parallel to the surface of the substrate base facing the homogeneous semiconductor layer in the region of the center of the elevation region or mesa region.
  • at least one of the contacts is arranged directly on and / or in the region of an outer edge of the elevation region or mesa region.
  • the homogeneous semiconductor layer in the non-mesa region in the direction perpendicular to the surface of the substrate base facing the homogeneous semiconductor layer has a thickness of more than 0.2 ⁇ m and / or less than 50 ⁇ m, in particular more than 0.5 ⁇ m and / or less than 5 ⁇ m, and / or the homogeneous semiconductor layer has the thickness of the non-mesa region and additionally one in the elevation region or mesa region Thickness ' of more than 20 n and / or less than 1000 n, in particular of more than 50 nm and / or less than 300 n.
  • the substrate base consists of silicon.
  • the homogeneous semiconductor layer contains Al x Ga ⁇ _ x N or In x Ga ⁇ - x N or In x Al ⁇ _ x N with a relative element content of 0 x 1.0 1.0. This is particularly preferred. homogeneous semiconductor layer made of GaN.
  • a space area that is present due to the distance between the homogeneous semiconductor layer and the substrate base is not filled, so that the semiconductor layer is at least partially self-supporting with respect to the substrate base. In a further variant, this spatial area can also be at least partially filled with a non-metallic and non-semiconducting material.
  • the material is to be selected in such a way that in particular the heat transport properties and / or the mechanical properties and / or the high-frequency properties of the sensor element can be improved.
  • fillers 'are individually or generally used in any combination' may include Si0 2, Si x N y (in particular SiN), DLC (diamond-like carbon), diamond, silicone-like filling materials, A1 2 0 3, thermally conductive plastics (especially Dow Corning Q3-3600, l-41xx and / or SE44xx).
  • the homogeneous semiconductor layer can either be undoped or p-doped or n-doped.
  • a heterostructure is used instead of a bulk material:
  • the cover layer is preferably arranged only on or on the elevation area or mesa area, but not in the non-mesa area.
  • the cover layer particularly preferably consists of AlGaN, in particular with an element content of 0.1 y y 0.3 0.3, particularly preferably of 0.15 y y 0.2 0.25.
  • the cover layer can be mechanically tensioned.
  • the dopant content is advantageously up to approximately 10 20 per cm 3 .
  • Silicon and / or magnesium is advantageously used as the dopant. This can be volume doping and / or pulse doping.
  • the electrical discharge contacts described are advantageously p- and / or n-contacts.
  • the electrical lead contacts are advantageously arranged in such a way that they can be used to derive an electrical output signal (electrical output signal created in the heterostructure channel) in the transition region between the homogeneous semiconductor layer and the cover layer.
  • the electrical discharge contacts are advantageously arranged directly at the interface between the homogeneous semiconductor layer and the cover layer.
  • the electrical lead contacts advantageously have a metallization which contains or consists of Ti and / or Al for the n-contact and / or which contains or consists of Ni and / or Au for the p-contact.
  • the thickness of the metallization here is advantageously up to 1000 nm, in particular preferably up to 200 nm.
  • the physical quantity to be determined can be, for example, the pressure, the temperature, a force, a deflection or an acceleration.
  • a change in the spatial state of the homogeneous semiconductor layer or the heterostructure can be a change in shape, volume, structure, one of the surfaces or simply a deflection or bulge with respect to the substrate base.
  • the output signal can in particular in the form of a. Current, a voltage or an electrical resistance or change thereof are detected.
  • the. homogeneous semiconductor layer is connected to the substrate base at one or more anchor points in such a way that at least part of the part of the homogeneous semiconductor layer not connected to the anchor point or the anchor points is self-supporting with respect to the substrate base and by a change in the physical quantity to be determined in Relative to the substrate base is directly deflectable.
  • the sensor element or the homogeneous semiconductor layer is designed as a functional unit with integrated electrical or electronic circuits made of semiconductor structures based on main group III nitride.
  • the circuits here preferably have diode structures, transistor elements or temperature sensor elements. They can represent compensation circuits or amplifier circuits, in particular for signal amplification.
  • the output signal can be derived by means of Schottky contacts.
  • the circuits can be designed as Wheatstone bridges.
  • the sensor itself is a self-supporting, active component that converts the change in physical size directly into an electrical signal, the sensor itself can be pre-stressed or pre-deformed. This enables temperature compensation, for example.
  • Sensor elements according to the invention can be designed, used or produced as described in one of the examples below.
  • corresponding or identical components of the sensor elements are provided with the same reference symbols.
  • FIG. 1 shows various options for designing the shape of a sensor element according to the invention.
  • FIG. 2 shows acceleration sensors according to the invention. sors.
  • FIG. 3 shows a pressure sensor according to the invention.
  • figure "4 shows a layer structure of a semiconductor sample from which an inventive sensor element can be manufactured.
  • FIG. 5 shows an etching mechanism with which a sensor element according to the invention can be produced.
  • FIG. 6 schematically shows a side view of a sensor element according to the invention with a self-supporting bar made of AlGaN / GaN on a silicon substrate.
  • FIG. 7 shows a section through an acceleration sensor with a heterostructure.
  • FIG. 8 shows embodiments of bending beams according to the invention.
  • Figure la shows seven different embodiments of a sensor element according to the invention.
  • an embodiment is shown in a view of the substrate base layer 1.
  • Each of the embodiments has a silicon substrate 1 and a homogeneous semiconductor layer 2 arranged thereon or a part of an overall layer that previously completely covered the substrate 1 after etching out a desired geometric structure.
  • a part 2a of the (remaining) homogeneous semiconductor layer 2 is designed to be self-supporting, that is to say it is arranged above a cavity 6 etched into the substrate 1 in such a way that the self-supporting part 2a is affected by the action of those to be determined physical size is deflectable.
  • the self-supporting part 2a or the homogeneous semiconductor layer 2 is connected to the substrate 1 via a different number of anchor points 3. Deflection of the cantilever part 2a changes the polarization in the material (bulk material of the homogeneous semiconductor layer 2) and thus a changed charge carrier density in the material or, if additional layers are applied to the homogeneous semiconductor layer 2, a heterostructure is present on the material surface or at the interface with another material, which is tapped off in the form of a current change, preferably by means of contacts 5, which are applied to the silicon substrate 1 at the edge of the cavity 6, are arranged on the homogeneous semiconductor layer 2 or their anchor points 3 and are directly adjacent to the semiconductor layer 2 , In FIG.
  • the self-supporting, deflectable part 2a of the homogeneous semiconductor layer 2 is connected to the substrate base 1 via three anchor points 3 in such a way that the deflectable part 2a is an essentially Y-shaped bar.
  • the three anchor points 3 and three associated contacts 5a -5c are arranged at the three ends of the y or the corresponding bar.
  • the y-bar shape has the advantage that a large change in the charge carrier density can be expected with a small mechanical deflection.
  • the self-supporting, deflectable part 2a of the homogeneous semiconductor layer 2 is connected to the substrate base -1 via two anchor points 3 of the homogeneous semiconductor layer 2 lying on the same side of the etched cavity 6 in such a way that the self-supporting, deflectable part 2a essentially has a U- shaped bar.
  • the two anchor points and the associated contacts 5a to 5b are at the two ends of the U or the corresponding bar, that is to say on the same side of the cavity 6 or on an edge side of the cavity 6.
  • Figure IC and Figure 1E show a self-supporting, deflectable part 2a, which is connected to the substrate base via four anchor points 3, that the 'deflectable part 2a essentially represents an X- or H-shaped bar.
  • the four anchor points are in d s' ends of the four Xr.l. of the H-beam arranged 1 -. net.
  • X-shaped or H-shaped structures offer the advantage of being able to choose different measurement paths or to be able to select the contacts 5 of the four contacts 5a to 5d used for the signal tapping.
  • FIG. 1D shows a case in which the self-supporting, deflectable part 2a of the homogeneous semiconductor layer 2 is connected to the substrate base 1 via a multiplicity of anchor points 3 such that the self-supporting, deflectable part 2a essentially represents a double-comb-shaped bar.
  • the anchor points 3 or contacts 5a, 5b are each arranged at the ends of the comb teeth or the individual beam ends.
  • the comb shape has the advantage of improved sensitivity compared to normal straight bars.
  • FIG. 1F shows a case in which a self-supporting, deflectable part 2a of the homogeneous semiconductor layer 2 is connected to the substrate base 1 via exactly one anchor point 3 in such a way that a self-supporting, deflectable rectilinear bar is formed.
  • the anchor point 3 is arranged at one of the ends of the beam, a first contact 5 at the anchor point 3.
  • the counter contact (not shown) is integrated into part 2a at the free end of the beam.
  • Figure IG shows a case in which a self-supporting, deflectable part 2a with the substrate base 1 over exactly two Anchor points 3 are connected in such a way that a cantilevered straight beam clamped on both sides is created.
  • the two anchor points 3 are located at the two ends of the straight bar, as are the associated contacts 5a, 5b.
  • the structures with at least two directly opposite anchor points 3, ie, seen from above, with anchor points 3 on two opposite sides of the etched cavity 6 have the advantage that, by deflecting the center, a tensioning over the entire surface, ie additionally alongside, via the corresponding beams expansion and compression in the bending radii, an extension of the beam and thus also an expansion of the unit cells can be achieved.
  • FIGS. 1b and 1c show two further sensor structures according to the invention, which are constructed analogously to the sensor structure shown in FIG. 1F, ie are only arranged on one side on the substrate 1 (left side of the illustrations), while the free-standing side 2a of the semiconductor layer 2 ( right side of the pictures) without connection to a carrier.
  • the two structures shown have a GaN buffer layer 2, which is partially arranged on the substrate 1 and which is partially (region 2a) self-supporting above the etched cavity 6.
  • a cover layer made of AlGaN 9 in the form of a mesa is arranged on the GaN buffer layer 2a in such a way that the mesa is arranged partly above the substrate 1 and partly above the etched cavity 6.
  • Ohmic contacts are attached to the edge of the transition from the non-free-standing area (above the substrate 1) to the free-standing semiconductor area (above the etched-out cavity 6).
  • FIG. 1b shows a configuration in which the two contacts 5a and 5b are mounted on the mesa 9 transversely to the beam extension (direction from substrate 1 to cavity 6 or from left to right in the figure), the contact 5b before the transition , the
  • the ohmic contact 5a attached behind the transition on the free-standing region 2a is electrically conducted to the region before the transition by means of a line 11 along the mesa 9.
  • the second contact 5b is also provided with such a line 11.
  • the two ohmic contacts 5a and 5b are mounted lengthwise to the beam extension, one at the top of the mesa 9, one at the bottom of the mesa 9. In this case, the contacts 5a and 5b cross the area of the Transition of the semiconductor material 2 from the non-free-standing area above the substrate 1 to the free-standing area 2a.
  • a control contact 10 can be arranged analogously to a gate of a transistor (preferably in the form of a Schottky contact) at a defined distance from one of the ohmic contacts 5a and 5b. The distance is preferably 0.3 ⁇ m to 0.5 ⁇ m.
  • the gate 10 is also provided with an electrical lead 11. Further control contacts or gates can also be arranged or used.
  • FIG. 2a shows an acceleration sensor according to the invention. This acceleration sensor is also shown in supervision.
  • the basic structure of the acceleration sensor corresponds to the structure of the sensors shown in FIG. 1 (identical elements or components are provided with identical reference numerals).
  • the acceleration sensor has two quarter-circle designed free ing bars 2a made of GaN, which are each attached to two anchor points 3 on the substrate edge of the Si substrate 1. Each bar 2a has two anchor points 3 on adjacent edges of the square, etched free square in the section shown
  • the anchor points 3 or the bars 2a are connected to one another via non-self-supporting sections 2b made of GaN of the homogeneous semiconductor layer 2 which are arranged in the vicinity of the substrate edge 1a or the edges of the cavity 6.
  • Sections 2b connect the two anchor points 3 of each beam 2a.
  • the contacts 5 are arranged on the sections 2b.
  • a square seismic mass 4 as shown in the section, is attached to the cantilevered sections 2a as the heart of the acceleration sensor. This is located completely above the etched cavity 6 and is only connected to the substrate base via the two curved beams 2a or the associated four anchor points 3.
  • the meaning of the structures 8 is explained in the description of FIG. 2b (which shows a section of the acceleration sensor from FIG. 2a).
  • the seismic mass 4 If the sensor is subjected to an acceleration, the seismic mass 4 is deflected from its rest position. By deflecting the seismic mass 4, the beam sections 2a become tense, which causes a change in the resistance of the measuring strip 2a at the substrate edge. The change in the resistance of the measuring strip is measured with the help of contacts 5 via a Wheatstone circuit.
  • the sensor structure or the circuit can also be provided with gates (preferably as Schottky contacts, for example in the form of a metallization with a Ni layer and an Au layer in a thickness of, for example, up to 200 nm, preferably in a thickness of up to 20 nm, carried out), provided for the operating point Position or used for compensation.
  • Figure 2b shows a section of the acceleration sensor shown in Figure 2a.
  • the sections 2a and 2b of the homogeneous semiconductor layer 2 are provided with a metallization layer everywhere except in the areas 8a, 8b and 9.
  • the area 9 is here arranged directly at the anchor point 3 shown and is partly self-supporting (lower section of the area 9) and partly (upper section or at anchor point 3) not self-supporting.
  • Sections 8a, 8b and 9 represent elevation areas or mesa areas of the homogeneous semiconductor layer 2, ie areas in which the thickness of the homogeneous semiconductor layer 2 is increased compared to the remaining areas of 2a and 2b.
  • the heterostructure is only present in regions 9, 8a and 8b, in the remaining regions 2a and 2b only the buffer layer provided with the metallization is then made GaN present.
  • the mesa sections 8a, 8b and 9 are also referred to below alternatively as resistors.
  • the electrical signals used arise per half-bow 2a in the area of the anchor points 3 in the mesa area 9 or in the corresponding transition area from free-standing to fixed, since only in area 9 there is a mesa and since only here is the metallization interrupted.
  • the structure and mode of operation therefore correspond to ⁇ a Whea.tstone bridge with unknown resistances .
  • the anchor points 3 (a total of four resistors 9 in the configuration shown, compare FIG. 2a) and resistors 8a, 8b, which are also unknown, but are identical to the resistors 9 and thus have an identical resistance value.
  • the resistors 8a, 8b (a total of four, see Fig. 2a) are thus four identical free-standing resistors made of GaN bars with metallization in parallel, which are not deflected.
  • the seismic mass 4 is deflected, the four resistors 9 change at points 3, but the four resistors 8 do not, so that the measurement signal (or the current) results as a difference.
  • the resistors 8 and / or 9 can also be implemented with a gate (for example as a Schottky contact) 1 .
  • FIGS. 2c and 2d Another acceleration sensor is shown in FIGS. 2c and 2d.
  • the basic structure of the Accuracy sensor shown initially corresponds to that acceleration sensor of Figure 2a and 2b. The difference is that in addition to the four resistors (here: 9R1, 9R3, 9R5 and 9R7) at anchor points 3, the resistors at the transition from seismic mass 4 to free-standing beam 2a - (transition area 7) are also used to help with this a signal generated by a deflection of the mass 4 (the resistances in the transition region 7 are provided with the reference numerals 9R2, 9R4, 9R6 and 9R8 in the figure).
  • the transition area 7 is upon deflection d.er Mas-se 4- in "exactly the other direction, curved like the transition region at the anchor points 3 so that the opposite effect is to be expected here. In the circuit this is exploited by the fact that the Resistors in the Wheatstone bridge are arranged electrically so that the effect adds up: For example, if 9R1 is deflected downwards (into the paper plane), 9R2 is deflected upwards.
  • the reference numerals 5a and 5b designate the contacts to which the input voltage (U ⁇ n ) necessary for the measurement is applied, the reference numerals 5c and 5d the contacts from which the voltage or current is tapped during the measurement becomes.
  • the bridges In the circuit presented, the bridges must be calibrated to 0 before commissioning. For this purpose, for example, the current at measuring points 5c and 5d is measured when a voltage is supplied to contacts 5b and 5a. This gives the value without
  • the resistors 9 can also be designed with a gate (not shown here). Interference can be calibrated out using reference resistors that are not deflected (analogous to resistors 8 in FIG. 2b). If the resistors 9 are made electrically accessible individually or are, as it were, dissolved electrically by means of a suitable circuit, i.e.
  • Resistors 9 also change their value depending on their location.
  • FIGS. 2e and 2f show a further acceleration sensor in the form of a free-standing bar.
  • the free-standing bar 2a of a homogeneous semiconductor layer 2 made of GaN has a rectangular mesa 9 or a corresponding elevation 9
  • an AlGaN cover layer is present on the buffer layer made of GaN in area 9 of the mesa is executed in the case shown as a four-point structure according to van der Pauw, ie the mesa 9 is connected at its four corners to the contacts 5a to 5d via electrical lines 11.
  • the signal is determined using the Hall effect.
  • the circuit can also be designed as a Hallbar structure.
  • the contacts 5a to 5d are ohmic contacts, the leads 11 run on the GaN buffer.
  • Embodiment of the van der Pauw structure for use in a Hall effect measurement method.
  • a scanning electron microscope 'looks up a homogeneous semiconductor structure membrane are shown 2 and four open- ings 12a to 12d for etching from above and four electrical leads 13 and four ohmic contacts 14 (the supply lines 13 run from the contacts 14 in the inward direction, ie to the area of the openings 12, pointed).
  • a free-standing membrane section is formed in the area of the center of the image (area 2c) 2c, " which can be deflected, for example, by a mechanical force or by a flow pressure.
  • FIG. 3a shows a pressure sensor according to the invention, which essentially has the same components as the sensors already described in FIGS. 1 and 2.
  • the self-supporting, deflectable part 2a of the homogeneous semiconductor layer 2 made of GaN is shaped as a circular membrane 2c.
  • the membrane 2c has two mes .. or elevations 9a and 9b, in which an AlGaN layer is arranged on the GaN layer.
  • the AlGaN / GaN heterostructure thus only exists in the mesa or resistance range 9. If there is a difference in the pressure on both sides of the membrane 2c, this bulges out.
  • the underlying, etched cavity 6 is also circular.
  • the membrane 2c (self-supporting sections 2a and non-self-supporting sections 2b on the substrate edge la) is braced on the substrate edge, as a result of which its polarization changes: in the heterostructure channel or in the mesa region 9a and 9b, the boundary layer between the AlGaN and the GaN layer a charge carrier density or accumulation, which is derived with the help of the contacts 5 as an output ' signal.
  • the contacts 5 are arranged directly on the heterostructure channel of the AlGaN / GaN layer sequence.
  • the output signal or its change is measured via the resistance bars or the mesa ranges 9a and 9b.
  • the measurement of the pressure difference between the top and bottom of the membrane 2c thus takes place via the curvature of the same.
  • a temperature independence of the sensor is verified by an interconnection
  • Membranes are geometrically determined, since the tension on the entire substrate edge la is the same and the membrane 2c thus receives its greatest stability.
  • the optional gate used here preferably in the form of a Schottky contact (bottom left, 10 in the figure) is used for setting the operating point.
  • the mode of operation of the circuit of the pressure sensor shown in FIG. 3a is identical to the mode of operation of the circuit for the acceleration sensors described in FIGS. 2a to 2d: four resistors 9a to 9d are used, two of which are resistors 9a and 9b on a pressure cell or Membrane 2c and two resistors 9c and 9d on the semicircular membranes 2d.
  • the membrane 2c can be deflected at an overpressure or underpressure above the membrane 2c in comparison with the gas volume enclosed under the pressure cell or membrane 2c. Due to the areas with removed GaN buffer (6a and 6b) there is no closed gas volume on the membranes 2d, the membranes 2d are therefore not deflectable and the resistors 9c and 9d serve as Reference resistors. In the event of a pressure change, the two resistors 9a and 9b on the socket 2c are therefore changed, but the two reference resistors 9c and 9d are not.
  • the Wheatstone connection of the four resistors 9a to 9d can again cause a current change (and this, in turn, is independent of disturbances, such as temperature, since these disturbances have the same effect on all four resistors and the two reference resistors 9c and 9d are not deflected) be measured, again without really having to know the value of the resistors 9.
  • the effective resistors 9a to 9d are again located at the transition area 3 of the non-free-standing semiconductor 2b to the free-standing 2a and, as already described, are designed in the form of a mesa, ie the membranes 2c and 2d themselves are also only GaN buffers here ,
  • the width b of the resistors 9a and 9b is significantly larger in order to obtain a higher effect (higher
  • FIG. 3b shows a scanning electron micrograph of the etched cavities 2dl and 2cl, which are used for the can 2c and the reference membranes 2d.
  • Figure 4 shows schematically a layer structure of a sample used to produce an active, self-supporting, homogeneous semiconductor layer in the form of a bar.
  • An approximately 300 ⁇ m thick silicon substrate 1 forms the basis of the sample.
  • An approximately 1.7 ⁇ m thick homogeneous semiconductor layer made of GaN 2f is applied to this silicon substrate.
  • a cover layer 2e (thickness approximately 20 nm) made of AlO is applied again to this layer 2f. 2 Ga0.sN.
  • a heterostructure sensor element can therefore be produced from the sample shown.
  • FIG. 5 shows an essential step, the under-etching of the bar structure, schematically in the production of a heterostructure sensor element according to the invention.
  • the other steps of the semiconductor structuring method for producing a sensor element according to the invention are first explained.
  • a mesa of a desired base area is etched out of the composite of homogeneous semiconductor layer 2f and cover layer 2e (GaN or Alo.2Gao.8N), in which the heterostructure 2e, 2f is etched away to the substrate base 1 outside the base area.
  • the remaining mesa is shown at the top right in FIG. 5 (section 2e, 2f).
  • the areas ⁇ to be etched (mesa area 2e, 2f on the right in the picture and substrate area on the left in the picture) are covered by an aluminum mask 7.
  • the covered areas are then etched using a reactive ion etching process with the support of halogens in the reaction gas:
  • the dry etching process used in the example uses a CF 4 plasma which is enriched with oxygen. The etching takes place thereby by a mechanical portion (CF 4/0 2) which is brought about by appropriate acceleration of the ions, as well as a chemical ⁇ tzanteil (F ⁇ - ions).
  • FIG. 6 shows the basic structure of a cantilevered bar (ie a spacing area d not filled with a non-metallic and non-semiconducting material) or a cantilevered homogeneous semiconductor layer 2f made of GaN on a silicon substrate 1, which or which with the aid of FIG described etching process was produced.
  • the cantilever bar 2f rests on the silicon substrate 1 at the left or right end.
  • FIG. 7 shows an acceleration sensor according to the invention in section.
  • the cutting plane is perpendicular to the substrate surface.
  • a homogeneous GaN semiconductor layer 2f is arranged on this silicon substrate 1. This is under-etched in the middle or in the center, so that the substrate 1 was at least partially removed in a cuboid area (cavity 6) below the layer 2f: In the edge area of the cuboid area, the substrate 1 was completely removed (so that the underside of the Layer 2f exposed), in the inner area of the cuboid area the substrate was not completely removed, so that one with the Layer 2f of connected substrate residue remains, which forms a seismic mass 4.
  • the homogeneous GaN semiconductor layer 2f thus forms a self-supporting holding beam or a membrane which rests on the substrate 1 in at least two areas (shown on the left and right) and on which or which centrally in the middle the seismic mass 4 is attached freely suspended.
  • the seismic mass 4 can thus be deflected upwards or downwards by the action of acceleration (arrows in the figure) ' .
  • the homogeneous semiconductor layer 2f On its surface facing away from the substrate surface, has two elevations or two mesa ranges.
  • Each of the mesa ranges extends in a direction parallel to the substrate surface (in the picture: from left to right) or parallel to the surface of the homogeneous semiconductor layer 2f from the area where the layer 2f is supported by the substrate 1, over the area where the bottom of the layer 2f has been freed from the substrate, down to the area where the seismic mass 4 is arranged below the layer 2f.
  • layer 2f here has a thickness of 1.93 ⁇ m (in general, the additional thickness of layer 2f in the mesa range is preferably between 170 nm and 290 nm.
  • a cover layer 2e made of AlGaN ' is applied to the mesas of layer 2f so that a heterostructure is formed in the mesa region.
  • the shown accelerator Inclination sensor thus has a heterostructure according to the invention.
  • the heterostructure channel 2g lies at the boundary layer between the GaN layer 2f and the AlGaN cover layer 2e (ie in the mesa range). In each mesa, two contact areas are arranged directly adjacent to the heterostructure channel 2g.
  • Each of the four contact areas shown consists of a contact area to the heterostructure channel 2g formed by alloying
  • a contact is arranged in a fixed region of the heterostructure or layers 2e and 2f (ie in a region where the heterostructure or layer 2f from Silicon substrate 1 is supported) and that the other contact of each resistance or mesa area is in the floating membrane area or retaining bar area.
  • the transition from fixed to free is approximately in the middle below the mesa range.
  • the present arrangement Compared to an arrangement in which, for example, two contacts are arranged in the fixed area (ie above the silicon substrate 1) and are connected by a closed heterostructure length piece, which partly runs on a membrane (which means that the curvatures that occur are partly opposing)
  • the present arrangement has the advantage that an extremely small resulting signal component caused by the opposing curvatures is not to be expected, but rather a significantly higher signal component. In the case shown, therefore, not all lengths or elements of an electrically closed path or all curvatures in the material contribute to the signal when the membrane or the beam is deflected.
  • the heterostructure is retained only in the area of the mesa (the usable active area of the semiconductor then lies there) and that the heterostructure is etched away outside the mesa or the corresponding area and only a homogeneous layer 2f remains as a residual membrane or retaining bar.
  • the position of the contacts 5 is advantageously located on the outer edges of the mesa series.
  • the scanning electron micrograph shown in FIG. 7 shows a bottom view of the silicon substrate 1, from which the cuboid area has already been etched out and thus the seismic mass 4 can be seen.
  • the sensor 7 and all the other sensors shown can also be designed in forms without a heterostructure (ie only with the homogeneous semiconductor layer 2f).
  • the sensor functionality is then ensured by geometrically defining the mesa range. This is done by suitable etching.
  • the mesa can be adapted 'etch depths (depending on the material.) Obtained ,, - parasitic effects to ⁇ from the adjacent, remaining membrane material (buffer or non-mesa) to be prevented.
  • the signal or effect strength changes - depending on the material type, it can be assumed that the effect is greatest with bulk material.
  • FIG. 8 shows sensor elements according to the invention in the form of self-supporting beams which are fastened on one side or with an anchor point. These were created using sacrificial membranes attached to the beam end opposite the anchor point.
  • FIG. 8a shows three such beams according to the invention with a self-supporting beam end 2a, which is initially connected to a sacrificial membrane 2k via a predetermined breaking point 21. Also shown are four electrical contacts 5a to 5d which are connected via electrical feed lines 11 to a mesa 9 which, as already described, is arranged partly above the free-standing region and partly above the fixed region of the semiconductor structure layer 2.
  • the semiconductor structure shown is produced as follows: The mesa 9 (consisting of a portion of the GaN layer 2f and a portion the AlGaN cover layer 2e) is produced by a first etching. The heterostructure is therefore only fully preserved in area 9 (active, flowed area). The depth during the first etching is in the range from 200 nm to 500 nm. In a second etching step, the area 2f-T is then etched outside the mesa 9, which area defines the beam structure or the self-supporting beam structure 2a itself (this is the case here GaN completely etched away from the top down to the substrate 1). This kind of patterning the GaN layers is preferred when, 6 takes place from the top of the cavity ⁇ tzung_ '.
  • the etching of the cavity 6 is carried out from the rear (identified by the reference symbol RA in the image), as is the case when using the ICP standard method for silicon substrates, then an etching from above in the form of deep etching (approximately in the case of bars or to define the bar structure, which is sometimes also referred to as a “deep mesa”), in order to define this geometry, but the etching described can also be used in two steps.
  • the circuit is implemented with gates 10
  • the sensor elements shown were produced by dry chemical etching with the reaction gas CF 4 with the addition of oxygen from the top of a [111] silicon substrate.
  • the [111] surface of the silicon substrate is used because of the hexagonal lattice structure of the group III nitrides - tongue basically goes from the back and from the
  • FIG. 8b shows a scanning electron microscope image in which two bars 2a, which are still connected to the sacrificial membrane 2k via the predetermined breaking point 21, can be seen.
  • Figure 8c shows three narrow bars (free-standing) 2al, 2a2 and 2a3, which were produced as described.
  • the uppermost bar 2a has a length of 100 ⁇ m with a width of 1 ⁇ m.

Abstract

The invention relates to a sensor element which comprises a group III nitride-based semiconductor structure. The semiconductor sensor element is used to determine pressure, temperature, a force, a deflection or an acceleration. It comprises a substrate base (1), a group III nitride based homogeneous semiconductor layer arranged thereon, whereby the surface of homogeneous semiconductor layer (2, 2f) facing the substrate base (1) is arranged at least partially at a distance to the surface of the substrate base facing the homogenous semiconductor layer (2, 2f). The invention is characterized in that at least two electric terminal contacts (5) used to divert an electric output signal which can be produced by the homogeneous semiconductor layer (2, 2f), said contacts being arranged on and/or below the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) or integrated therein.

Description

Sensorelemente mit freitragenden Balkenstrukturen aus Halbleitern auf Gruppe-III-NitridbasisSensor elements with self-supporting beam structures made of semiconductors based on Group III nitride
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sensorelement, das eine Halbleiterstruktur auf Gruppe- III-Nitridbasis (beispielsweise aus GaN, A1N oder InN) aufweist, wobei die Änderung einer physikalischen Größe (beispielsweise eines statischen und/oder dynamischen Drucks - z.B. in Strömungen von Gasen oder Fluiden - akustischer Schwingungen, einer Be- schleunigung, Auslenkung oder Temperatur) dadurch bestimmt wird, dass die Halbleiterstruktur die Änderung der physikalischen Größe mittels ihrer piezoelektri- sehen Eigenschaften in eine elektrische Ausgangsgröße bzw. ein entsprechendes Ausgangssignal umsetzt. Hier wie im Folgenden wird die Bezeichnung Gruppe-III bzw. Hauptgruppe-III als Abkürzung für die dritte Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente verwendet. Mikrosensoren auf Basis von Halbleiterstrukturen auf Gruppe-III-Nitridbasis sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. So zeigt die Patentschrift US 0,066,319 AI eine Mikromembran, welche an ein Substrat gekoppelt ist. Eine Druckänderung erzeugt eine Auswölbung der Membran. Diese Auswölbung wird mit Hilfe eines auf der Membran angebrachten Stresssensors erfasst und vom Stresssensor in ein elektrisch messbares Signal umgewandelt .The present invention relates to a sensor element which has a semiconductor structure based on group III nitride (for example made of GaN, A1N or InN), the change in a physical variable (for example a static and / or dynamic pressure - for example in flows of gases or fluids - acoustic vibrations, acceleration, deflection or temperature) is determined in that the semiconductor structure converts the change in the physical quantity by means of its piezoelectric properties into an electrical output quantity or a corresponding output signal. Here, as in the following, the term group III or main group III is used as an abbreviation for the third main group of the periodic table of the elements. Microsensors based on semiconductor structures based on group III nitride are already known from the prior art. For example, US Pat. No. 0,066,319 shows a micromembrane which is coupled to a substrate. A change in pressure causes the membrane to bulge. This bulge is detected with the help of a stress sensor attached to the membrane and converted into an electrically measurable signal by the stress sensor.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleitersensorele- ent zur Verfügung zu stellen, welches auf Basis eines Substrats eine integrierte, freitragende homogene Halbleiterschicht dergestalt aufweist, dass die freitragende integrierte homogene Halbleiterschicht die Änderung einer physikalischen Größe durch Änderung ihres räumlichen Zustands (beispielsweise einer Auslenkung) mittels ihrer piezoelektrischen Eigenschaf- ten in ein messbares elektrisches Ausgangssignal umsetzt, welches durch direkt auf, an und/oder unter der homogenen Halbleiterschicht angebrachte Ableitungskontakte unmittelbar von der homogenen Halbleiter-Schicht ableitbar ist. Aufgabe der Erfindung ist es darüberhinaus, ein entsprechendes Messverfahren sowie ein entsprechendes Verfahren zur Strukturierung von erfindungsgemäßen Halbleitersensorelementen zur Verfügung zu stellen.Starting from the prior art, it is the object of the present invention to provide a semiconductor sensor element which, on the basis of a substrate, has an integrated, self-supporting, homogeneous semiconductor layer in such a way that the self-supporting, integrated, homogeneous semiconductor layer changes a physical quantity by changing its spatial state (for example a deflection) is converted by means of its piezoelectric properties into a measurable electrical output signal which can be derived directly from the homogeneous semiconductor layer by means of lead contacts attached directly to, on and / or below the homogeneous semiconductor layer. Another object of the invention is to provide a corresponding measurement method and a corresponding method for structuring semiconductor sensor elements according to the invention.
Diese Aufgabe wird durch ein Sensorelement gemäß Patentanspruch 1, durch ein Messverfahren gemäß Patentanspruch 50 sowie durch ein Halbleiterstrukturie- rungsverfahren gemäß Anspruch 53 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Sensorelementes bzw. der erfindungsgemäßen Verfahren sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben. Hier wie im folgenden wird unter dem Begriff der homogenen Halbleiterschicht eine im gesamten Schichtvolumen einheitlich aus einem Halbleitermaterial auf Gruppe-III-Nitridbasis (beispielsweise GaN) aufgebaute Schicht verstanden. Im Gegensatz hierzu weist eine HeteroStruktur mindestens zwei auf- oder aneinander angeordnete homogene Halbleiterschichten auf (beispielsweise AlGaN/GaN-Heterostruktur : AlGaN-Schicht auf GaN-Schicht) .This object is achieved by a sensor element according to claim 1, by a measuring method according to claim 50 and by a semiconductor structuring method according to claim 53. Advantageous developments of the sensor element according to the invention and the method according to the invention are described in the respective dependent claims. Here, as in the following, the term “homogeneous semiconductor layer” is understood to mean a layer constructed uniformly in the entire layer volume from a semiconductor material based on Group III nitride (for example GaN). In contrast, a heterostructure has at least two homogeneous semiconductor layers arranged on or next to one another (for example AlGaN / GaN heterostructure: AlGaN layer on GaN layer).
Die erfindungsgemäß verwendeten Halbleiterstruktüren auf Gruppe-III-Nitridbasis, wie beispielsweise Galliumnitrid, Aluminiumnitrid oder Indiumnitrid, zeichnen sich gegenüber herkömmlichen Strukturen durch ihre piezoelektrischen Eigenschaften aus. Diese können zur mechanischen Sensorik verwendet werden, da eine über den Kristall gleichgerichtete und von der Verspannung im Material abhängige Polarisation entsteht, die bei- spielsweise durch eine Ladungsträgerdichteänderung an der Oberfläche bzw. an der Grenzfläche zu einem anderen Material auswertbar ist (HeteroStruktur, beispielsweise AlGaN/GaN) . Die Ladungsträger resultieren hierbei direkt aus der Polarisation. Grundlage der erfindungsgemäßen Sensoren ist eine mechanische Veränderung im Gitter, welche eine elektrisch messbare Veränderung in der Struktur zur Folge hat. Wie aus der Theorie bekannt ist, verändert sich die Polarisation im Material und somit die Ladungsträgerdichte in einem Heterostruktur-Kanal mit der Veränderung derThe group III nitride-based semiconductor structures used according to the invention, such as gallium nitride, aluminum nitride or indium nitride, are distinguished from conventional structures by their piezoelectric properties. These can be used for mechanical sensors, since a polarization which is rectified across the crystal and depends on the tension in the material arises, which can be evaluated, for example, by changing the charge carrier density on the surface or at the interface with another material (heterostructure, for example AlGaN / GaN). The charge carriers result directly from the polarization. The basis of the sensors according to the invention is a mechanical change in the grid, which results in an electrically measurable change in the structure. As is known from theory, the polarization in the material and thus the charge carrier density in a heterostructure channel change with the change in
Gitterkonstanten. Eine Möglichkeit für die Verwirklichung von erfindungsgemäßen Sensorelementen ist somit ein Heterostruktur-Kanal, da in diesem zuverlässig eine ausreichende Ladungsträgerdichte erzielt werden kann. Die Ausnutzung der Eigenschaften einer Hetero- struktur bzw. des Heterostrukturkanals ist zur Reali- sierung einer erfindungsgemäßen Sensorstruktur jedoch nicht unbedingt erforderlich: Es hat sich gezeigt, dass auch mit homogenen Halbleiterschichten (beispielsweise aus undotiertem GaN) ein ausreichend ho- hes Signal-Auslenkung-Verhältnis erzielt werden kann. Nur ein Volumenmaterial (GaN, InN, A1N, AlGaN, InGaN) ist für Sensoranwendungen somit ausreichend. Die piezoelektrischen Materialeigenschaften können dazu verwendet werden, Strukturen herzustellen, die ohne eine Dotierung mit Fremdatomen auskommen, um die Leitfähigkeit zu erzeugen. Ebenso ist die Kombination mit einer" Dotierung möglich (p- oder n-Dotierung beispielsweise des Volumenmaterials zur besseren Kontak- tierung) . Da die Piezoeigenschaften des Materials die freien Ladungsträger in den Volumenmaterialien bzw.Lattice constants. One possibility for the implementation of sensor elements according to the invention is thus a heterostructure channel, since a sufficient charge carrier density can be reliably achieved in this channel. The exploitation of the properties of a heterostructure or the heterostructure channel is However, a sensor structure according to the invention is not absolutely necessary: it has been shown that a sufficiently high signal-deflection ratio can also be achieved with homogeneous semiconductor layers (for example made of undoped GaN). Only one bulk material (GaN, InN, A1N, AlGaN, InGaN) is therefore sufficient for sensor applications. The piezoelectric material properties can be used to produce structures that do not require doping with foreign atoms in order to generate the conductivity. Combination with " doping " is also possible (p- or n-doping, for example of the bulk material for better contact). Since the piezo properties of the material the free charge carriers in the bulk materials or
Strukturen beeinflussen, wird erfindungsgemäß die Manipulation der Piezoeigenschaften zur Erstellung von Sensorbauelementen verwendet. Hierbei' wird über eine äußere Einflussnahme auf die freie Ladungsträgerdich- te im Bauelement eingewirkt.Influencing structures, the manipulation of the piezo properties is used according to the invention to create sensor components. Here 'acted in the component te via an external influence on the free Ladungsträgerdich-.
Die auf bearbeitbaren Substraten (insbesondere vorteilhafterweise auf Siliziumsubstraten) hergestellten Bauelemente werden erfindungsgemäß partiell oder vollständig vo , Substrat freigelegt.According to the invention, the components produced on machinable substrates (in particular advantageously on silicon substrates) are partially or completely exposed from the substrate.
Durch mechanisches Verbiegen eines Voluraenmaterials entstehen je nach Biegerichtung p- oder n-Ladungs- träger im Volumenmaterial. Aus diesem Grund kann auf diesen Schichten ein p-Kontakt und ein n-Kontakt zum Einsatz kommen. Durch das Diodenverhalten derartiger Kontakte kann dann bei entsprechender Biegung Strom fließen, bei entgegengesetzter Biegung aber nicht.Mechanical bending of a solid material creates p or n charge carriers in the bulk material, depending on the direction of bending. For this reason, a p-contact and an n-contact can be used on these layers. Due to the diode behavior of such contacts, current can flow with a corresponding bend, but not with an opposite bend.
Die Herstellung von beispielsweise Diodenstrukturen oder Transistorbauelementen auf Basis der Gruppe-III- Nitride ermöglicht zudem erfindungsgemäß die Integration der Sensorbauelemente mit elektrischen bzw. elektronischen Schaltungen. Dies können beispielsweise Kompensationsschaltungen (z.B. gegen äußere Ein- flüsse) oder Verstärkerschaltungen (beispielsweise zur Signalverstärkung) sein.The production of, for example, diode structures or transistor components based on Group III According to the invention, nitrides also enable the integration of the sensor components with electrical or electronic circuits. These can be, for example, compensation circuits (for example against external influences) or amplifier circuits (for example for signal amplification).
Ein erfindungsgemäßes Halbleitersensorelement weist eine Substratbasis und eine auf dieser Substratbasis angeordnete homogene Halbleiterschicht auf Basis von Nitriden von Hauptgruppe-III-Elementen auf, wobei die der Substiratbasis zugewandte Oberfläche der homogenen Halbleiterschicht zumindest teilweise nicht direkt an die Substratbasis angrenzt bzw. einen Abstand zu der der homogenen Halbleiterschicht zugewandten Oberfläche der Substratbasis aufweist und zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens zwei elektrische Ableitungskontakte zur Ableitung eines durch die homogene Halbleiterschicht aufgrund einer Änderung einer mit Hilfe des Halbleitersensorelementes zu bestimmenden physikalischen Größe erzeugbaren elektrischen Ausgangssignals unmittelbar auf, an und/oder unter der homogenen Halbleiterschicht angeordnet sind oder in diese integriert sind.A semiconductor sensor element according to the invention has a substrate base and a homogeneous semiconductor layer based on nitrides of main group III elements arranged on this substrate base, the surface of the homogeneous semiconductor layer facing the substrate base at least partially not directly adjoining the substrate base or a distance from it Homogeneous semiconductor layer facing surface of the substrate base and is characterized in that at least two electrical lead contacts for deriving an electrical output signal that can be generated by the homogeneous semiconductor layer due to a change in a physical quantity to be determined with the aid of the semiconductor sensor element directly on, at and / or below the homogeneous Semiconductor layer are arranged or are integrated into this.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Halbleitersensorelementes ist mindestens einer der Kontakte im Bereich des nicht direkt an die Substratbasis angrenzenden bzw. einen Abstand zu der Oberfläche der Substratbasis aufweisenden Bereichs (Abstandsbereich) der homogenen Halbleiterschicht angeordnet und mindestens einer der Kontakte im Bereich eines direkt an die Substratbasis angrenzenden bzw. keinen Abstand zu der Oberfläche der Substratbasis aufweisenden Bereichs (nicht- Abstandsbereich) der homogenen Halbleiterschicht an- geordnet.In a first advantageous embodiment of the semiconductor sensor element according to the invention, at least one of the contacts is arranged in the region of the region (distance region) of the homogeneous semiconductor layer that is not directly adjacent to the substrate base or at a distance from the surface of the substrate base, and at least one of the contacts in the region of a directly on the region of the homogeneous semiconductor layer which is adjacent to the substrate base or has no distance from the surface of the substrate base (non-spaced region) orderly.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die homogene Halbleiterschicht einen Erhebungs- bereich bzw. Mesabereich auf, welcher in Richtung senkrecht zu der der homogenen Halbleiterschicht zugewandten Oberfläche der Substratbasis eine größere Dicke aufweist als ein an diesen Bereich in einer Richtung parallel zu der der homogenen Halbleiter- schicht zugewandten Oberfläche der Substratbasis angrenzender Bereich (Nicht-Mesabereich) der homogenen Halbleiterschicht. Vorteilhafterweise ist hierbei der Erhebungsbereich bzw. Mesabereich so angeordnet, dass er sich in einer Richtung parallel zu der der homoge- nen Halbleiterschicht zugewandten Oberfläche der Substratbasis teilweise über den Abstandsbereich der homogenen Halbleiterschicht erstreckt und dass er sich teilweise über den Nicht-Abstandsbereich der homogenen Halbleiterschicht erstreckt. Vorteilhafterweise erfolgt hierbei der Übergang vom Abstandsbereich zum Nicht-Abstandsbereich in der Richtung parallel zu der der homogenen Halbleiterschicht zugewandten Oberfläche der Substratbasis im Bereich der Mitte des Erhebungsbereichs bzw. Mesabereichs . In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante ist mindestens einer der Kontakte unmittelbar an und/oder im Bereich einer äußeren Kante des Erhebungsbereichs bzw. Mesabereichs angeordnet. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die homogene Halbleiterschicht im Nicht-Mesabereich in Richtung senkrecht zu der der homogenen Halbleiterschicht zugewandten Oberfläche der Substratbasis eine Dicke von über 0,2 μm und/oder unter 50 μm, insbesondere von über 0,5 μm und/oder unter 5 μm auf, und/oder die homogene Halbleiter- schicht weist im Erhebungsbereich bzw. Mesabereich die Dicke des Nicht-Mesabereichs und zusätzlich eine Dicke' von über 20 n und/oder unter 1000 n , insbesondere von über 50 nm und/oder unter 300 n , auf.In a further advantageous embodiment, the homogeneous semiconductor layer has an elevation region or mesa region which, in the direction perpendicular to the surface of the substrate base facing the homogeneous semiconductor layer, has a greater thickness than a region in this direction in a direction parallel to that of the homogeneous semiconductor layer-facing surface of the substrate base adjacent region (non-mesa region) of the homogeneous semiconductor layer. Advantageously, the elevation area or mesa area is arranged in such a way that it extends in a direction parallel to the surface of the substrate base facing the homogeneous semiconductor layer partially over the distance area of the homogeneous semiconductor layer and that it partially extends over the non-distance area of the homogeneous semiconductor layer extends. Advantageously, the transition from the spacing region to the non-spacing region takes place in the direction parallel to the surface of the substrate base facing the homogeneous semiconductor layer in the region of the center of the elevation region or mesa region. In a further advantageous embodiment variant, at least one of the contacts is arranged directly on and / or in the region of an outer edge of the elevation region or mesa region. In a further advantageous embodiment, the homogeneous semiconductor layer in the non-mesa region in the direction perpendicular to the surface of the substrate base facing the homogeneous semiconductor layer has a thickness of more than 0.2 μm and / or less than 50 μm, in particular more than 0.5 μm and / or less than 5 μm, and / or the homogeneous semiconductor layer has the thickness of the non-mesa region and additionally one in the elevation region or mesa region Thickness ' of more than 20 n and / or less than 1000 n, in particular of more than 50 nm and / or less than 300 n.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvarian- te besteht die Substratbasis aus Silizium. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante enthält die homogene Halbleiterschicht AlxGaι_xN oder InxGaι-xN oder InxAlι_xN mit einem relativen Elementgehalt von 0 x ≤ 1.0. Besonders bevorzugt besteht die. homogene Halbleiterschicht aus GaN. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante ist ein durch den Abstand zwischen der homogenen Halbleiterschicht und ' der Substratbasis vorhandener Raumbereich nicht ausgefüllt, so dass die Halbleiterschicht in Bezug auf die Substratbasis zumindest teilweise freitragend ist. In einer weiteren Variante kann dieser Raumbereich -auch mit einem nicht-metallischen und nicht- halbleitenden Material zumindest teilweise ausgefüllt sein. Hierbei ist das Material so zu wählen, dass insbesondere die Wärmetransporteigenschaften und/oder die mechanischen Eigenschaften und/oder die Hochfre- guenzeigenschaften des Sensorelements verbesserbar sind. Beispiele für Füllmaterialien,' die einzeln oder grundsätzlich in beliebigen Kombinationen verwendet werden ' können, sind: Si02, SixNy (insbesondere SiN) , DLC (diamond-like carbon) , Diamant, silikonartige Füllmaterialien, A1203, thermisch leitfähige Kunststoffe (insbesondere Dow Corning Q3-3600, l-41xx und/oder SE44xx) . In den bisher beschriebenen Varian- ten kann die homogene Halbleiterschicht entweder undotiert sein oder p-dotiert oder n-dotiert sein. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante wird statt eines Volumenmaterials eine HeteroStruktur verwendet: Hierzu ist auf oder an der homogenen Halb- leiterschicht auf deren Substratbasis abgewandter Seite eine AlyGaι_yN oder InyGaι-yN oder InyAlι_yN mit einem relativen Elementgehalt von 0 ≤ y ≤ 1.0 aufweisende Deckschicht angeordnet. Die Deckschicht ist hierbei bevorzugt nur auf oder an dem Erhebungsbereich bzw. Mesabereich angeordnet, nicht jedoch im Nicht-Mesabereich. Besonders bevorzugt besteht die Deckschicht aus AlGaN, insbesondere mit einem Elementgehalt von 0.1 ≤ y ≤ 0.3, insbesondere bevorzugt von 0.15 ≤ y ≤ 0.25. Die Deckschicht kann hierbei mechanisch verspannt sein. Sie kann darüberhinaus eben- falls undotiert, p-dotiert oder n-dotiert sein. Weitere entsprechende Halbleiterschichten können auf der ' Deeks.chicht angeordnet sein. Bei den dotierten Varianten beträgt der Dotierstoffgehalt vorteilhafterweise bis etwa 1020 pro cm3. Als Dotierstoff ist vor- teilhafterweise Silizium und/oder Magnesium zu verwenden. Es kann sich hierbei um Volumendotierungen und/oder Pulsdotierungen handeln.In a further advantageous embodiment variant, the substrate base consists of silicon. In a further advantageous embodiment variant, the homogeneous semiconductor layer contains Al x Gaι_ x N or In x Gaι- x N or In x Alι_ x N with a relative element content of 0 x 1.0 1.0. This is particularly preferred. homogeneous semiconductor layer made of GaN. In a further advantageous embodiment variant, a space area that is present due to the distance between the homogeneous semiconductor layer and the substrate base is not filled, so that the semiconductor layer is at least partially self-supporting with respect to the substrate base. In a further variant, this spatial area can also be at least partially filled with a non-metallic and non-semiconducting material. The material is to be selected in such a way that in particular the heat transport properties and / or the mechanical properties and / or the high-frequency properties of the sensor element can be improved. Examples of fillers 'are individually or generally used in any combination' may include Si0 2, Si x N y (in particular SiN), DLC (diamond-like carbon), diamond, silicone-like filling materials, A1 2 0 3, thermally conductive plastics (especially Dow Corning Q3-3600, l-41xx and / or SE44xx). In the variants described so far, the homogeneous semiconductor layer can either be undoped or p-doped or n-doped. In a further advantageous embodiment variant, a heterostructure is used instead of a bulk material: For this purpose, an Al y Gaι_ y N or In y Gaι- y N or In y Alι_ y N with or on the homogeneous semiconductor layer on the side facing away from the substrate base with a relative element content of 0 ≤ y ≤ 1.0. The cover layer is preferably arranged only on or on the elevation area or mesa area, but not in the non-mesa area. The cover layer particularly preferably consists of AlGaN, in particular with an element content of 0.1 y y 0.3 0.3, particularly preferably of 0.15 y y 0.2 0.25. The cover layer can be mechanically tensioned. It can also be undoped, p-doped or n-doped. Further corresponding semiconductor layers can be arranged on the 'Deeks.chicht. In the doped variants, the dopant content is advantageously up to approximately 10 20 per cm 3 . Silicon and / or magnesium is advantageously used as the dopant. This can be volume doping and / or pulse doping.
Die beschriebenen elektrischen Ableitungskontakte sind vorteilhafterweise p- und/oder n-Kontakte. In den Heterostruktur-Varianten sind die elektrischen Ableitungskontakte vorteilhafterweise so angeordnet, dass mit ihrer Hilfe ein im Übergangsbereich zwischen der homogenen Halbleiterschicht und der Deckschicht entstandenes elektrisches Ausgangssignal (im Heterostruktur-Kanal entstandenes elektrisches Ausgangssignal) ableitbar ist. Die elektrischen Ableitungskon- takte sind hierzu vorteilhafterweise unmittelbar an der Grenzfläche zwischen der homogenen Halbleiter- schicht und der Deckschicht angeordnet. Vorteilhafterweise weisen die elektrischen Ableitungskontakte eine Metallisierung auf, welche für den n-Kontakt Ti und/oder AI enthält oder daraus besteht und/oder welche für den p-Kontakt Ni und/oder Au enthält oder daraus besteht. Die Dicke der Metallisierung beträgt hier vorteilhafterweise bis 1000 nm, insbesondere be- vorzugt bis 200 nm.The electrical discharge contacts described are advantageously p- and / or n-contacts. In the heterostructure variants, the electrical lead contacts are advantageously arranged in such a way that they can be used to derive an electrical output signal (electrical output signal created in the heterostructure channel) in the transition region between the homogeneous semiconductor layer and the cover layer. For this purpose, the electrical discharge contacts are advantageously arranged directly at the interface between the homogeneous semiconductor layer and the cover layer. The electrical lead contacts advantageously have a metallization which contains or consists of Ti and / or Al for the n-contact and / or which contains or consists of Ni and / or Au for the p-contact. The thickness of the metallization here is advantageously up to 1000 nm, in particular preferably up to 200 nm.
Die zu bestimmende physikalische Größe kann beispielsweise der Druck, die Temperatur, eine Kraft, eine Auslenkung oder eine Beschleunigung sein. DieThe physical quantity to be determined can be, for example, the pressure, the temperature, a force, a deflection or an acceleration. The
Änderung des räumlichen Zustandes der homogenen Halbleiterschicht bzw. der HeteroStruktur kann hierbei eine Änderung der Form, des Volumens, der Struktur, einer der Oberflächen oder einfach eine Auslenkung bzw. eine Auswölbung in Bezug auf die Substratbasis sein. Das Ausgangssignal kann insbesondere in Form eines. Stroms, einer Spannung oder eines elektrischen Widerstandes bzw. Änderung derselben erfasst werden.A change in the spatial state of the homogeneous semiconductor layer or the heterostructure can be a change in shape, volume, structure, one of the surfaces or simply a deflection or bulge with respect to the substrate base. The output signal can in particular in the form of a. Current, a voltage or an electrical resistance or change thereof are detected.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Sensorelementes ist die. homogene Halbleiterschicht an einem oder mehreren Ankerpunkten so mit der Substratbasis verbunden, dass zumindest ein Teil des nicht an dem Ankerpunkt bzw. den Anker- punkten verbundenen Teils der homogenen Halbleiterschicht in Bezug auf die Substratbasis freitragend ist und durch eine Änderung der zu bestimmenden physikalischen Größe in Bezug auf die Substratbasis unmittelbar auslenkbar ist. In einer weiteren Variante ist das Sensorelement bzw. die homogene Halbleiterschicht als funktioneile Einheit mit integrierten e- lektrischen oder elektronischen Schaltungen aus Halbleiterstrukturen auf Hauptgruppe-III-Nitridbasis ausgeführt. Bevorzugt weisen die Schaltungen hierbei .Di- odenstrukturen, Transistorelemente oder Temperatursensorelemente auf. Sie können Kompensationsschaltungen oder Verstärkerschaltungen insbesondere zur Signalverstärkung darstellen. Das Ausgangssignal ist in einer weiteren Ausführungsform mittels Schottky- Kontakten ableitbar. Die Schaltungen können als Wheatstonesche Brücken ausgeführt sein. Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Halbleitersensorelement weist eine Reihe von Vorteilen auf:In a further advantageous embodiment of the sensor element according to the invention, the. homogeneous semiconductor layer is connected to the substrate base at one or more anchor points in such a way that at least part of the part of the homogeneous semiconductor layer not connected to the anchor point or the anchor points is self-supporting with respect to the substrate base and by a change in the physical quantity to be determined in Relative to the substrate base is directly deflectable. In a further variant, the sensor element or the homogeneous semiconductor layer is designed as a functional unit with integrated electrical or electronic circuits made of semiconductor structures based on main group III nitride. The circuits here preferably have diode structures, transistor elements or temperature sensor elements. They can represent compensation circuits or amplifier circuits, in particular for signal amplification. In another embodiment, the output signal can be derived by means of Schottky contacts. The circuits can be designed as Wheatstone bridges. The semiconductor sensor element according to the invention described above has a number of advantages:
• Es können neuartige Sensorapplikationen in einer funktioneilen Einheit mit integrierten elektronischen Schaltungen auf Gruppe-III-Nitridbasis hergestellt werden. • Novel sensor applications can be manufactured in a functional unit with integrated electronic circuits based on Group III nitride.
• Es können in Kombination mit Silizium-Substraten reproduzierbar preiswerte neuartige Sensorelemente hergestellt werden.• In combination with silicon substrates, inexpensive, novel sensor elements can be reproducibly manufactured.
-• Es sind vielfache Anwendungen im Bereich der Sensorik oder Mikromechanik möglich, es können neue Applikationsfeider durch die Materialeigen- Schäften der Gruppe-III-Nitride der Sensorelemente erschlossen werden, beispielsweise im Bereich der Hochtemperaturanwendungen.- • Multiple applications in the field of sensors or micromechanics are possible, new application fields can be opened up through the material properties of the group III nitrides of the sensor elements, for example in the area of high-temperature applications.
• Da der Sensor selbst ein freitragendes aktives Bauelement ist, welcher die Änderung der physi- kaiischen Größe direkt in ein elektrisches Signal umsetzt, kann der Sensor selbst vorverspannt oder vorverformt werden. Hierdurch ist beispielsweise eine Temperaturkompensation möglich.• Since the sensor itself is a self-supporting, active component that converts the change in physical size directly into an electrical signal, the sensor itself can be pre-stressed or pre-deformed. This enables temperature compensation, for example.
Erfindungsgemäße Sensorelemente können wie in einem der nachfolgenden Beispiele beschrieben ausgeführt sein, verwendet werden oder hergestellt werden. In den den einzelnen Beispielen entsprechenden Figuren sind sich entsprechende bzw. identische Bauelemente der Sensorelemente mit denselben Bezugszeichen versehen.Sensor elements according to the invention can be designed, used or produced as described in one of the examples below. In the figures corresponding to the individual examples, corresponding or identical components of the sensor elements are provided with the same reference symbols.
Es zeigt Figur 1 verschiedene Möglichkeiten, die Form eines erfindungsgemäßen Sensorelementes zu gestalten.FIG. 1 shows various options for designing the shape of a sensor element according to the invention.
Es zeigt Figur 2 erfindungsgemäße Beschleunigungssen- soren.FIG. 2 shows acceleration sensors according to the invention. sors.
Es zeigt Figur 3 einen erfindungsgemäßen Drucksensor.FIG. 3 shows a pressure sensor according to the invention.
Es zeigt Figur" 4 einen Schichtaufbau einer Halbleiterprobe, aus der ein erfindungsgemäßes Sensorelement hergestellt werden kann.It shows figure "4 shows a layer structure of a semiconductor sample from which an inventive sensor element can be manufactured.
Es zeigt Figur 5 einen- Ätzmechanismus, mit dem ein erfindungsgemäßes Sensorelement hergestellt werden kann.FIG. 5 shows an etching mechanism with which a sensor element according to the invention can be produced.
Es zeigt Figur 6 in Seitenansicht schematisch ein erfindungsgemäßes Sensorelement mit einem freitragenden Balken aus AlGaN/GaN auf einem Siliziumsubstrat.FIG. 6 schematically shows a side view of a sensor element according to the invention with a self-supporting bar made of AlGaN / GaN on a silicon substrate.
Es zeigt Figur 7 einen Schnitt durch einen Beschleunigungssensor mit einer HeteroStruktur.FIG. 7 shows a section through an acceleration sensor with a heterostructure.
Es zeigt Figur 8 Ausgestaltungsformen erfindungsgemäßer Biegebalken.FIG. 8 shows embodiments of bending beams according to the invention.
Figur la zeigt sieben verschiedene Ausgestaltungsformen eines erfindungsgemäßen Sensorelementes. In jeder der Teilfiguren 1A bis IG ist eine Ausgestaltungsform in Aufsicht auf die Substratbasisschicht 1 gezeigt. Jede der Ausgestaltungsformen weist ein Siliziumsubstrat 1 sowie darauf angeordnet eine homogene Halbleiterschicht 2 bzw. einen nach Ausätzen einer ge- wünschten geometrischen Struktur verbliebenen Teil einer vormals das Substrat 1 vollständig bedeckenden Gesamtschicht auf. Ein Teil 2a der (verbliebenen) homogenen Halbleiterschicht 2 ist freitragend ausgeführt, d.h. oberhalb eines in das Substrat 1 einge- ätzten Hohlraums 6 so angeordnet, dass der freitragende Teil 2a durch Einwirkung der zu bestimmenden physikalischen Größe auslenkbar ist. Der freitragende Teil 2a bzw. die homogene Halbleiterschicht 2 ist mit dem Substrat 1 über eine unterschiedliche Zahl von Ankerpunkten 3 verbunden. Durch Auslenkung des frei- tragenden Teils 2a verändert sich die Polarisation im Material (Volumenmaterial der homogenen Halbleiterschicht 2) und somit entsteht eine veränderte Ladungsträgerdichte im Material bzw. falls durch Aufbringen weiterer Schichten auf die homogene Halblei- terschicht 2 eine HeteroStruktur vorliegt an der Materialoberfläche bzw. an der Grenzfläche zu einem anderen Material, welche durch am Rand .des Hohlraums 6 auf das Siliziumsubstrat 1 aufgebrachte, an der homogenen Halbleiterschicht 2 bzw. deren Ankerpunkte 3 angeordnete, an die Halbleiterschicht 2 unmittelbar angrenzende Kontakte 5 vorzugsweise in Form einer Stromänderung abgegriffen wird. In Figur 1A ist der freitragende, auslenkbare Teil 2a der, homogenen Halbleiterschicht 2 mit der Substratbasis 1 über drei An- kerpunkte 3 so verbunden, dass der auslenkbare Teil 2a ein im wesentlichen y-förmiger Balken ist. Die drei Ankerpunkte 3 sowie drei zugehörige Kontakte 5a -5c sind an den- drei Enden des y- bzw. des entsprechenden Balkens angeordnet. Die y-Balkenform hat den Vorteil, dass eine große Veränderung der Ladungsträgerdichte bei kleiner mechanischer Auslenkung zu erwarten ist. In Figur 1B ist der freitragende, auslenkbare Teil 2a der homogenen Halbleiterschicht 2 mit der Substratbasis -1 über zwei auf derselben Seite des ausgeätzten Hohlraums 6 liegenden Ankerpunkte 3 der homogenen Halbleiterschicht 2 so verbunden, dass der freitragende, auslenkbare Teil 2a im wesentlichen einen U-förmigen Balken darstellt. Die beiden Ankerpunkte und die zugehörigen Kontakte 5a bis 5b sind an den beiden Enden des U bzw. des entsprechenden Balkens, somit also auf derselben Seite des Hohlraums 6 bzw. an einer Randseite des Hohlraums 6, angeordnet. Mit einem TJ-förmigen Balken kann ein, auftretender Effekt an der Biegeverspannung nahe der Substratkante gemessen werden, ohne dass dabei eine Kompensation durch die entgegengesetzte Biegung eintritt, wie es bei geraden, zweifach eingespannten Balken der Fall ist. Figur IC und Figur 1E zeigen einen freitragenden, auslenkbaren Teil 2a, der mit der Substratbasis so über vier Ankerpunkte 3 verbunden ist, dass der ' auslenkbare Teil 2a im wesentlichen einen X- oder H- förmigen Balken darstellt. Die vier Ankerpunkte sind an d'en vier Enden des Xr.bzw. des H-Balkens angeord1- . net . X- bzw. H-förmige Strukturen bieten den Vorteil, unterschiedliche Messpfade wählen zu können bzw. die für den Signalabgriff verwendeten Kontakte 5 der vier Kontakte 5a bis 5d auswählen zu können. Figur 1D zeigt einen Fall, in dem der freitragende, auslenkbare Teil 2a der homogenen Halbleiterschicht 2 mit der Substratbasis 1 über eine Vielzahl von Ankerpunkten 3 so verbunden ist, dass der freitragende, auslenkbare Teil 2a im wesentlichen einen doppelkammförmigen Balken darstellt. Die Ankerpunkte 3 bzw. Kontakte 5a, 5b sind jeweils an den Enden der Kammzinken bzw. den einzelnen Balkenenden angeordnet. Die Kammform hat gegenüber normalen geraden Balken den Vorteil verbesserter Empfindlichkeit. Figur 1F zeigt einen Fall, in dem ein freitragender, auslenkbarer Teil 2a der homogenen Halbleiterschicht 2 mit der Substratbasis 1 über genau einen Ankerpunkt 3 so verbunden ist, dass ein freitragender, auslenkbarer geradliniger Balken entsteht. Der Ankerpunkt 3 ist an einem der Enden des Balkens angeordnet, ein erster Kontakt 5 am Ankerpunkt 3. Der Gegenkontakt (nicht gezeigt) ist am freien Balkenende in den Teil 2a integriert. Figur IG zeigt einen Fall, in dem ein freitragender, auslenkbarer Teil 2a mit der Substratbasis 1 über genau zwei Ankerpunkte 3 so verbunden ist, dass ein beidseitig eingespannter, freitragender geradliniger Balken entsteht. Die beiden Ankerpunkte 3 befinden sich an den beiden Enden des geradlinigen Balkens ebenso die zu- gehörigen Kontakte 5a, 5b. Die Strukturen mit mindestens zwei direkt gegenüberliegenden Ankerpunkten 3, d.h. von oben gesehen mit Ankerpunkten 3 auf zwei gegenüberliegenden Seiten des ausgeätzten Hohlraums 6 haben den Vorteil, dass über die entsprechenden Bal- ken durch Auslenkung des Zentrums eine Verspannung über der gesamten Fläche, also zusätzlich neben einer Dehnung und einer Stauchung in den Biegeradien auch eine Verlängerung des Balkens und somit auch einer Dehnung der Elementarzellen erreicht werden kann.Figure la shows seven different embodiments of a sensor element according to the invention. In each of the partial figures 1A to IG, an embodiment is shown in a view of the substrate base layer 1. Each of the embodiments has a silicon substrate 1 and a homogeneous semiconductor layer 2 arranged thereon or a part of an overall layer that previously completely covered the substrate 1 after etching out a desired geometric structure. A part 2a of the (remaining) homogeneous semiconductor layer 2 is designed to be self-supporting, that is to say it is arranged above a cavity 6 etched into the substrate 1 in such a way that the self-supporting part 2a is affected by the action of those to be determined physical size is deflectable. The self-supporting part 2a or the homogeneous semiconductor layer 2 is connected to the substrate 1 via a different number of anchor points 3. Deflection of the cantilever part 2a changes the polarization in the material (bulk material of the homogeneous semiconductor layer 2) and thus a changed charge carrier density in the material or, if additional layers are applied to the homogeneous semiconductor layer 2, a heterostructure is present on the material surface or at the interface with another material, which is tapped off in the form of a current change, preferably by means of contacts 5, which are applied to the silicon substrate 1 at the edge of the cavity 6, are arranged on the homogeneous semiconductor layer 2 or their anchor points 3 and are directly adjacent to the semiconductor layer 2 , In FIG. 1A, the self-supporting, deflectable part 2a of the homogeneous semiconductor layer 2 is connected to the substrate base 1 via three anchor points 3 in such a way that the deflectable part 2a is an essentially Y-shaped bar. The three anchor points 3 and three associated contacts 5a -5c are arranged at the three ends of the y or the corresponding bar. The y-bar shape has the advantage that a large change in the charge carrier density can be expected with a small mechanical deflection. In FIG. 1B, the self-supporting, deflectable part 2a of the homogeneous semiconductor layer 2 is connected to the substrate base -1 via two anchor points 3 of the homogeneous semiconductor layer 2 lying on the same side of the etched cavity 6 in such a way that the self-supporting, deflectable part 2a essentially has a U- shaped bar. The two anchor points and the associated contacts 5a to 5b are at the two ends of the U or the corresponding bar, that is to say on the same side of the cavity 6 or on an edge side of the cavity 6. With a TJ-shaped beam, an occurring effect on the bending stress near the substrate edge can be measured without compensation from the opposite bending, as is the case with straight, double-clamped beams. Figure IC and Figure 1E show a self-supporting, deflectable part 2a, which is connected to the substrate base via four anchor points 3, that the 'deflectable part 2a essentially represents an X- or H-shaped bar. The four anchor points are in d s' ends of the four Xr.bzw. of the H-beam arranged 1 -. net. X-shaped or H-shaped structures offer the advantage of being able to choose different measurement paths or to be able to select the contacts 5 of the four contacts 5a to 5d used for the signal tapping. FIG. 1D shows a case in which the self-supporting, deflectable part 2a of the homogeneous semiconductor layer 2 is connected to the substrate base 1 via a multiplicity of anchor points 3 such that the self-supporting, deflectable part 2a essentially represents a double-comb-shaped bar. The anchor points 3 or contacts 5a, 5b are each arranged at the ends of the comb teeth or the individual beam ends. The comb shape has the advantage of improved sensitivity compared to normal straight bars. FIG. 1F shows a case in which a self-supporting, deflectable part 2a of the homogeneous semiconductor layer 2 is connected to the substrate base 1 via exactly one anchor point 3 in such a way that a self-supporting, deflectable rectilinear bar is formed. The anchor point 3 is arranged at one of the ends of the beam, a first contact 5 at the anchor point 3. The counter contact (not shown) is integrated into part 2a at the free end of the beam. Figure IG shows a case in which a self-supporting, deflectable part 2a with the substrate base 1 over exactly two Anchor points 3 are connected in such a way that a cantilevered straight beam clamped on both sides is created. The two anchor points 3 are located at the two ends of the straight bar, as are the associated contacts 5a, 5b. The structures with at least two directly opposite anchor points 3, ie, seen from above, with anchor points 3 on two opposite sides of the etched cavity 6 have the advantage that, by deflecting the center, a tensioning over the entire surface, ie additionally alongside, via the corresponding beams expansion and compression in the bending radii, an extension of the beam and thus also an expansion of the unit cells can be achieved.
Die Figuren lb und lc zeigen zwei weitere erfindungsgemäße Sensorstrukturen, die analog zu der in Figur 1F dargestellten Sensorstruktur aufgebaut sind, d.h. nur einseitig auf dem Substrat 1 (linke Seite der Ab- bildungen) angeordnet sind, während die freistehende Seite 2a der Halbleiterschicht 2 (rechte Seite der Abbildungen) ohne Verbindung zu einem Träger steht. Die beiden dargestellten Strukturen weisen eine GaN- Pufferschicht 2 auf, welche zum Teil auf dem Substrat 1 angeordnet ist und welche zum Teil (Bereich 2a) freitragend oberhalb des ausgeätzten Hohlraums 6 angeordnet ist. Auf der GaN-Pufferschicht 2a ist eine Deckschicht aus AlGaN 9 in Form einer Mesa so angeordnet, dass die Mesa zum Teil oberhalb des Substra- tes 1 und zum Teil oberhalb des ausgeätzten Hohlraums 6 angeordnet ist. Ohmsche Kontakte (gezeichnet sind zwei Kontakte 5a und 5b, es können jedoch auch mehr Kontakte aufgebracht werden) sind an der Kante des Übergangs vom nicht freistehenden Bereich (oberhalb des Substrats 1) zum freistehenden Halbleiterbereich (oberhalb des ausgeätzten Hohlraums 6) angebracht. In Figur lb ist eine Konfiguration gezeigt, wobei die beiden Kontakte 5a und 5b quer zur Balkenausdehnung (Richtung von Substrat 1 zu Hohlraum 6 bzw. in der Figur von links nach rechts) auf der Mesa 9 ange- bracht sind, der Kontakt 5b vor dem Übergang, derFIGS. 1b and 1c show two further sensor structures according to the invention, which are constructed analogously to the sensor structure shown in FIG. 1F, ie are only arranged on one side on the substrate 1 (left side of the illustrations), while the free-standing side 2a of the semiconductor layer 2 ( right side of the pictures) without connection to a carrier. The two structures shown have a GaN buffer layer 2, which is partially arranged on the substrate 1 and which is partially (region 2a) self-supporting above the etched cavity 6. A cover layer made of AlGaN 9 in the form of a mesa is arranged on the GaN buffer layer 2a in such a way that the mesa is arranged partly above the substrate 1 and partly above the etched cavity 6. Ohmic contacts (two contacts 5a and 5b are shown, but more contacts can also be applied) are attached to the edge of the transition from the non-free-standing area (above the substrate 1) to the free-standing semiconductor area (above the etched-out cavity 6). In FIG. 1b shows a configuration in which the two contacts 5a and 5b are mounted on the mesa 9 transversely to the beam extension (direction from substrate 1 to cavity 6 or from left to right in the figure), the contact 5b before the transition , the
Kontakt 5a hinter dem Übergang) . Der hinter dem Übergang auf dem freistehenden Bereich 2a angebrachte Ohmsche Kontakt 5a wird mittels einer Leitung 11 entlang der Mesa 9 elektrisch zum Bereich vor dem Über- gang geführt. Auch der zweite Kontakt 5b ist mit einer solchen Leitung 11 versehen. In der in Figur lc gezeigten Konfiguration sind die beiden Ohmschen Kontakte 5a und 5b längs zur Balkenausdehnung angebracht, einer am oberen Rand auf der Mesa 9, einer am unteren Rand auf der Mesa 9. In diesem Fall überqueren die Kontakte 5a und 5b den Bereich des Übergangs des Halbleitermaterials 2 vom nicht freistehenden Bereich oberhalb des Substrats 1 zum freistehenden Bereich 2a. Optional (daher gestrichelt gezeichnet) kann ein Steuerkontakt 10 analog eines Gates eines Transistors (vorzugsweise in Form eines Schottky- Kontaktes) in einem definierten Abstand zu einem der Ohmschen Kontakte 5a und 5b angeordnet sein. Der Abstand beträgt vorzugsweise 0,3 μm bis 0,5 μm. Das Gate 10 ist ebenfalls mit einer elektrischen Zuleitung 11 versehen. Es können auch weitere Steuerkontakte bzw. Gates angeordnet bzw. verwendet werden.Contact 5a behind the transition). The ohmic contact 5a attached behind the transition on the free-standing region 2a is electrically conducted to the region before the transition by means of a line 11 along the mesa 9. The second contact 5b is also provided with such a line 11. In the configuration shown in Figure lc, the two ohmic contacts 5a and 5b are mounted lengthwise to the beam extension, one at the top of the mesa 9, one at the bottom of the mesa 9. In this case, the contacts 5a and 5b cross the area of the Transition of the semiconductor material 2 from the non-free-standing area above the substrate 1 to the free-standing area 2a. Optionally (therefore shown in dashed lines), a control contact 10 can be arranged analogously to a gate of a transistor (preferably in the form of a Schottky contact) at a defined distance from one of the ohmic contacts 5a and 5b. The distance is preferably 0.3 μm to 0.5 μm. The gate 10 is also provided with an electrical lead 11. Further control contacts or gates can also be arranged or used.
Figur 2a zeigt einen erfindungsgemäßen Beschleuni- gungssensor. Dieser Beschleunigungssensor ist ebenfalls in Aufsicht dargestellt. Der grundlegende Aufbau des Beschleunigungssensors entspricht hierbei dem Aufbau der in Figur 1 dargestellten Sensoren (identische Elemente bzw. Bestandteile sind mit identischen Bezugszeichen versehen) . Der Beschleunigungssensor weist zwei viertelkreisförmig ausgestaltete freitra- gende Balken 2a aus GaN auf, die jeweils an zwei Ankerpunkten 3 am Substratrand des Si-Substrats 1 befestigt sind. Jeder Balken 2a weist hierbei zwei Ankerpunkte 3 an aneinander angrenzenden Rändern des im dargestellten Schnitt quadratischen, freigeätztenFIG. 2a shows an acceleration sensor according to the invention. This acceleration sensor is also shown in supervision. The basic structure of the acceleration sensor corresponds to the structure of the sensors shown in FIG. 1 (identical elements or components are provided with identical reference numerals). The acceleration sensor has two quarter-circle designed free ing bars 2a made of GaN, which are each attached to two anchor points 3 on the substrate edge of the Si substrate 1. Each bar 2a has two anchor points 3 on adjacent edges of the square, etched free square in the section shown
Hohlraums 6 auf. Die Ankerpunkte 3 bzw. die Balken 2a sind über nicht freitragende, in der Nähe der Substratkante la bzw. den Rändern des Hohlraums 6 angeordnete Abschnitte 2b aus GaN der homogenen Halblei- terschicht 2 miteinander verbunden. Die Abschnitte 2b verbinden jeweils die zwei Ankerpunkte 3 eines jeden Balkens 2a. -An den Abschnitten 2b sind die Kontakte 5 angeordnet. An den freitragenden Abschnitten 2a ist eine im dargestellten Schnitt quadratische seismische Masse 4 als Herzstück des Beschleunigungssensors befestigt. Diese befindet sich vollständig oberhalb des ausgeätzten Hohlraums 6 und ist lediglich über die beiden gekrümmten Balken 2a bzw. die zugehörigen vier Ankerpunkte 3 mit der Substratbasis verbunden. Die Bedeutung der Strukturen 8 wird in der Beschreibung von Figur 2b (welche einen Ausschnitt des Beschleunigungssensors aus Fig. 2a zeigt) erläutert. Wird der Sensor einer Beschleunigung unterworfen, so wird die seismische Masse 4 aus ihrer Ruheposition ausgelenkt. Durch Auslenkung der seismischen Masse 4 verspannen sich die Balkenabschnitte 2a, wodurch es an der Substratkante zu einer Änderung des Widerstands des Messstreifens 2a kommt. Die Änderung des Widerstands des Messstreifens wird mit Hilfe der Kontakte 5 über eine Wheatstone-Schaltung gemessen. Optional kann die Sensorstruktur bzw. die Schaltung auch mit Gates (vorzugsweise als Schottky-Kontakte, beispielsweise in Form einer Metallisierung mit einer Ni-Schicht und einer Au-Schicht in einer Dicke von beispielsweise bis zu 200 nm, bevorzugt in einer Dicke bis zu 20 nm, ausgeführt) , versehen sein, die zur Arbeitspunktein- Stellung oder zur Kompensation verwendet werden.Cavity 6 on. The anchor points 3 or the bars 2a are connected to one another via non-self-supporting sections 2b made of GaN of the homogeneous semiconductor layer 2 which are arranged in the vicinity of the substrate edge 1a or the edges of the cavity 6. Sections 2b connect the two anchor points 3 of each beam 2a. The contacts 5 are arranged on the sections 2b. A square seismic mass 4, as shown in the section, is attached to the cantilevered sections 2a as the heart of the acceleration sensor. This is located completely above the etched cavity 6 and is only connected to the substrate base via the two curved beams 2a or the associated four anchor points 3. The meaning of the structures 8 is explained in the description of FIG. 2b (which shows a section of the acceleration sensor from FIG. 2a). If the sensor is subjected to an acceleration, the seismic mass 4 is deflected from its rest position. By deflecting the seismic mass 4, the beam sections 2a become tense, which causes a change in the resistance of the measuring strip 2a at the substrate edge. The change in the resistance of the measuring strip is measured with the help of contacts 5 via a Wheatstone circuit. Optionally, the sensor structure or the circuit can also be provided with gates (preferably as Schottky contacts, for example in the form of a metallization with a Ni layer and an Au layer in a thickness of, for example, up to 200 nm, preferably in a thickness of up to 20 nm, carried out), provided for the operating point Position or used for compensation.
Figur 2b zeigt einen Ausschnitt des in Figur 2a dargestellten Beschleunigungssensors. Die Abschnitte 2a und 2b der homogenen Halbleiterschicht 2 sind überall mit einer Metallisierungsschicht versehen außer in den Bereichen 8a, 8b und 9. Der Bereich 9 ist hierbei unmittelbar an den gezeigten Ankerpunkt 3 angeordnet und ist zum Teil freitragend (unterer Abschnitt von dem Bereich 9) und zum Teil (oberer Abschnitt bzw. am Ankerpunkt 3) nicht freitragend. Die Abschnitte 8a, 8b und 9 stellen Erhebungsbereiche bzw. Mesabereiche der homogenen Halbleiterschicht 2 dar, d.h. Bereiche, in denen die Dicke der homogenen Halbleiterschicht 2 gegenüber den restlichen Bereichen von 2a und 2b erhöht ist. Wird anstelle einer homogenen Halbleiterschicht 2 aus GaN eine Heterostruktur aus AlGaN/GaN verwendet, so ist die Heterostruktur nur in den Bereichen 9, 8a und 8b vorhanden, in den restlichen Be- reichen 2a und 2b ist dann nur die mit der Metallisierung versehene Pufferschicht aus GaN vorhanden. Die Mesaabschnitte 8a, 8b und 9 werden im folgenden auch alternativ als Widerstände bezeichnet. Bei dem gezeigten Beschleunigungssensor entstehen die verwen- deten elektrischen Signale je Halbbogen 2a im Bereich der Ankerpunkte 3 im Mesabereich 9 bzw. im entsprechenden Übergangsbereich von freistehend nach fest, da nur im Bereich 9 eine Mesa besteht und da nur hier die Metallisierung unterbrochen ist. Im übrigen Be- reich des freistehenden Balkens 2a sowie des fest auf dem Substrat angeordneten Abschnitts 2b der homogenen Halbleiterschicht 2 verbleibt nur das Puffermaterial (GaN-Volumenmaterial) . Signaländerungen im nicht dem Abschnitt 9 entsprechenden Bereich des freitragenden Abschnitts 2a (so im Abschnitt zwischen dem Bereich 9 und dem Übergangsbereich freistehend zu seismischer Masse und im Bereich der seismischen Masse) werden in der vorstehend beschriebenen Konfiguration nicht verwendet, da eine vollständig geschlossene Metallisierung oben aufliegt. In dem Abschnitt 2b der homogenen Halbleiterschicht 2 entstehen keine Signale, da hier die homogene Halbleiterschicht 2 nicht verbogen wird. Wie bereits beschrieben, wird die Änderung des Widerstands des Messstreifens der gezeigten Konfiguration mit Hilfe der Kontakte 5 über eine Wheatstone- Schaltung gemessen. In der gezeigten Konfiguration entspricht der Aufbau und die Wirkungsweise somit ei- n.er Whea.tstone-Brücke mit unbekannten Widerständen an. den Ankerpunkten 3 (insgesamt vier Widerstände 9 in der gezeigten Konfiguration, vergleiche Figur 2a) und Widerständen 8a, 8b, welche ebenfalls unbekannt sind, jedoch identisch wie die Widerstände 9 ausgefertigt sind und somit einen identischen Widerstandswert aufweisen. Die Widerstände 8a, 8b (insgesamt vier Stück, siehe Fig. 2a) sind somit vier gleiche freistehende Widerstände aus GaN-Balken mit Metallisierung in Parallelschaltung, die nicht ausgelenkt werden. Bei Auslenkung der seismischen Masse 4 verändern sich die vier Widerstände 9 an den Punkten 3, die vier Widerstände 8 jedoch nicht, so dass das Messsignal (bzw. der Strom) als Unterschied resultiert. Alle Störeinflüsse, wie beispielsweise Licht oder Temperatur, wirken gleichermaßen auf die Widerstände' 9 wie auf die Widerstände 8, so dass dies nicht zu Signalunterschieden führt, sondern nur eine echte Auslenkung der seismischen Masse 4. Optional (nicht gezeigt) können die Widerstände 8 und/oder 9 auch mit einem Gate (beispielsweise als Schottky-Kontakt) ausgeführt wer-1 den.Figure 2b shows a section of the acceleration sensor shown in Figure 2a. The sections 2a and 2b of the homogeneous semiconductor layer 2 are provided with a metallization layer everywhere except in the areas 8a, 8b and 9. The area 9 is here arranged directly at the anchor point 3 shown and is partly self-supporting (lower section of the area 9) and partly (upper section or at anchor point 3) not self-supporting. Sections 8a, 8b and 9 represent elevation areas or mesa areas of the homogeneous semiconductor layer 2, ie areas in which the thickness of the homogeneous semiconductor layer 2 is increased compared to the remaining areas of 2a and 2b. If a heterostructure made of AlGaN / GaN is used instead of a homogeneous semiconductor layer 2 made of GaN, the heterostructure is only present in regions 9, 8a and 8b, in the remaining regions 2a and 2b only the buffer layer provided with the metallization is then made GaN present. The mesa sections 8a, 8b and 9 are also referred to below alternatively as resistors. In the acceleration sensor shown, the electrical signals used arise per half-bow 2a in the area of the anchor points 3 in the mesa area 9 or in the corresponding transition area from free-standing to fixed, since only in area 9 there is a mesa and since only here is the metallization interrupted. In the remaining area of the free-standing bar 2a and the section 2b of the homogeneous semiconductor layer 2 fixedly arranged on the substrate, only the buffer material (GaN bulk material) remains. Signal changes in the area of the cantilevered section 2a which does not correspond to the section 9 (thus in the section between the area 9 and the transition area freestanding to seismic Mass and in the range of the seismic mass) are not used in the configuration described above, since a completely closed metallization lies on top. No signals are generated in section 2b of the homogeneous semiconductor layer 2 since the homogeneous semiconductor layer 2 is not bent here. As already described, the change in the resistance of the measuring strip of the configuration shown is measured with the aid of the contacts 5 via a Wheatstone circuit. In the configuration shown, the structure and mode of operation therefore correspond to ■ a Whea.tstone bridge with unknown resistances . the anchor points 3 (a total of four resistors 9 in the configuration shown, compare FIG. 2a) and resistors 8a, 8b, which are also unknown, but are identical to the resistors 9 and thus have an identical resistance value. The resistors 8a, 8b (a total of four, see Fig. 2a) are thus four identical free-standing resistors made of GaN bars with metallization in parallel, which are not deflected. When the seismic mass 4 is deflected, the four resistors 9 change at points 3, but the four resistors 8 do not, so that the measurement signal (or the current) results as a difference. All interferences such as light or temperature, act alike on the resistors' 9 as on the resistors 8 so that this does not signal differences, but only a real deflection of seismic mass 4. Optional (not shown), the resistors 8 and / or 9 can also be implemented with a gate (for example as a Schottky contact) 1 .
Einen weiteren Beschleunigungssensor zeigen Figuren 2c und 2d. Der grundlegende Aufbau des in diesen Fi- guren gezeigten Beschleunigungssensors entspricht zunächst demjenigen Beschleunigungssenor von Figur 2a und 2b. Unterschied ist, dass neben den vier Widerständen (hier: 9R1, 9R3, 9R5 und 9R7) an den Anker- punkten 3 auch die Widerstände am Übergang von der seismischen Masse 4 zum freistehenden Balken 2a —(Übergangsbereich 7) mitbenutzt werden, um das bei einer Auslenkung der Masse 4 generierte Signal zu vergrößern (die Widerstände im Übergangsbereich 7 sind in der Figur mit den Bezugszeichen 9R2, 9R4, 9R6 und 9R8 versehen) . Der Übergangsbereich 7 wird bei Auslenkung d.er Mas-se 4- in "die genau andere Richtung, gekrümmt wie der Übergangsbereich an den Ankerpunkten 3, so dass hier ein gegenläufiger Effekt zu erwarten ist. In der Beschaltung wird dies dadurch ausgenutzt, dass die Widerstände in der Wheatstone-Brücke elektrisch so angeordnet werden, dass sich der Effekt summiert: Wird beispielsweise 9R1 nach unten (in die Papierebene hinein) ausgelenkt, so wird 9R2 nach oben ausgelenkt. Dies gilt dann ebenso für 9R7 (nach unten) und 9R8 (nach oben) . Unter der Annahme, dass bei der beschriebenen Auslenkung' 9R1 größer wird, gilt das Größerwerden auch für 9R7 (und 9R3 und 9R5) , die Widerstände 9R2 und 9R8 (ebenso 9R4 und 9R6) werden kleiner (entgegengesetzter Effekt) . Da die Widerstandspaare 9R1 und 9R7 sowie 9R2 und 9R8 jedoch e- lektrisch in der Schaltung „über Kreuz" angeordnet sind, addiert sich der Effekt und eine hohe Stromänderung bzw. ein hohes Messsignal resultiert bei einer Auslenkung im Vergleich zum nicht ausgelenkten Zustand. Das Prinzip der Schaltung ist noch einmal in Figur 2d dargestellt. Die Bezugszeichen 5a und 5b bezeichnen hierbei die Kontakte, an die die zur Messung notwendige EingangsSpannung (Uιn) angelegt wird, die Bezugszeichen 5c und 5d die Kontakte, an denen bei der Messung die Spannung bzw. der Strom abgegriffen wird. Bei der vorgestellten Schaltung müssen die Brücken vor Inbetriebnahme auf 0 geeicht werden, es wird hierzu beispielsweise der Strom an den Messpunkten 5c und 5d gemessen bei Speisung mit einer Spannung an den Kontakten 5b und 5a. Dies ergibt den Wert ohneAnother acceleration sensor is shown in FIGS. 2c and 2d. The basic structure of the Accuracy sensor shown initially corresponds to that acceleration sensor of Figure 2a and 2b. The difference is that in addition to the four resistors (here: 9R1, 9R3, 9R5 and 9R7) at anchor points 3, the resistors at the transition from seismic mass 4 to free-standing beam 2a - (transition area 7) are also used to help with this a signal generated by a deflection of the mass 4 (the resistances in the transition region 7 are provided with the reference numerals 9R2, 9R4, 9R6 and 9R8 in the figure). The transition area 7 is upon deflection d.er Mas-se 4- in "exactly the other direction, curved like the transition region at the anchor points 3 so that the opposite effect is to be expected here. In the circuit this is exploited by the fact that the Resistors in the Wheatstone bridge are arranged electrically so that the effect adds up: For example, if 9R1 is deflected downwards (into the paper plane), 9R2 is deflected upwards. This also applies to 9R7 (downwards) and 9R8 ( Assuming that with the described deflection ' 9R1 becomes larger, the increase also applies to 9R7 (and 9R3 and 9R5), the resistors 9R2 and 9R8 (also 9R4 and 9R6) become smaller (opposite effect) however, the resistor pairs 9R1 and 9R7 as well as 9R2 and 9R8 are arranged electrically "crosswise" in the circuit, the effect adds up and a high current change or a high measurement signal results in the event of a trip reduction compared to the undeflected state. The principle of the circuit is shown again in Figure 2d. The reference numerals 5a and 5b designate the contacts to which the input voltage (Uι n ) necessary for the measurement is applied, the reference numerals 5c and 5d the contacts from which the voltage or current is tapped during the measurement becomes. In the circuit presented, the bridges must be calibrated to 0 before commissioning. For this purpose, for example, the current at measuring points 5c and 5d is measured when a voltage is supplied to contacts 5b and 5a. This gives the value without
Auslenkung. Alle Änderungen des Stromes ergeben sich dann bei Änderung der Auslenkung der Widerstände 9 und sind somit ein Maß für die Auslenkung, ohne die Widerstände 9 bzw. deren Wert genau zu kennen (wie sonst üblich einer Wheatstone-Schaltung) . Optional können die Widerstände auch mit Gate (hier nicht dargestellt) ausgeführt werden. Störeinflüsse können über Referenzwiderstände, die nicht ausgelenkt werden (analog zu den Widerständen 8 in Figur 2b) herauska- libriert werden. Macht man die Widerstände 9 einzeln elektrisch zugänglich bzw. löst man sie sozusagen elektrisch durch eine geeignete Beschaltung auf, d.h. misst man jeden einzelnen Widerstandswert der Wider- - stände 9, so ist es sogar möglich, die Richtung der Auslenkung der Masse 4 anzugeben (beispielsweise für die Lage eines Autos im Gelände) , da sich keine symmetrische Auslenkung der Masse 4 mehr ergibt und somit die Widerstände 9 auch ortsabhängig ihren Wert verändern.Deflection. All changes in the current then result from a change in the deflection of the resistors 9 and are thus a measure of the deflection without knowing the resistors 9 or their value exactly (as is usually the case with a Wheatstone circuit). Optionally, the resistors can also be designed with a gate (not shown here). Interference can be calibrated out using reference resistors that are not deflected (analogous to resistors 8 in FIG. 2b). If the resistors 9 are made electrically accessible individually or are, as it were, dissolved electrically by means of a suitable circuit, i.e. If you measure each individual resistance value of the resistors 9, it is even possible to indicate the direction of the deflection of the mass 4 (for example for the position of a car in the field), since there is no longer any symmetrical deflection of the mass 4 and thus Resistors 9 also change their value depending on their location.
Die Figuren 2e und 2f zeigen einen weiteren Beschleunigungssensor in Form eines freistehenden Balkens. Dieser im folgenden beschriebene Sensor kann jedoch in analogem Aufbau auch als Sensor zum Nachweis ande- rer physikalischer Größen als der Beschleunigung verwendet" werden. Der freistehende Balken 2a einer homogenen Halbleiterschicht 2 aus GaN weist eine recht- eckförmige Mesa 9 bzw. eine entsprechende Erhebung 9 auf. Im Fall einer Heterostruktur aus AlGaN/GaN ist im Bereich 9 der Mesa eine AlGaN-Deckschicht auf der Pufferschicht aus GaN vorhanden. Die Kontaktierung ist im gezeigten Fall als Vierpunkt-Struktur nach van der Pauw ausgeführt, d.h. die Mesa 9 ist an ihren vier Ecken über elektrische Leitungen 11 mit den Kontakten 5a bis 5d verbunden. Im Bereich oberhalb der Trennlinie T (d.h. im Bereich T0) ist die homogeneFIGS. 2e and 2f show a further acceleration sensor in the form of a free-standing bar. However, the sensor described below can also be used in an analog design as a sensor for the detection of physical quantities other than acceleration. " The free-standing bar 2a of a homogeneous semiconductor layer 2 made of GaN has a rectangular mesa 9 or a corresponding elevation 9 In the case of a heterostructure made of AlGaN / GaN, an AlGaN cover layer is present on the buffer layer made of GaN in area 9 of the mesa is executed in the case shown as a four-point structure according to van der Pauw, ie the mesa 9 is connected at its four corners to the contacts 5a to 5d via electrical lines 11. In the area above the dividing line T (ie in the area T 0 ) is the homogeneous
Halbleiterschicht 2 nicht freitragend, im Bereich unterhalb' der Trennlinie T (Bereich Tu) ist die homogene Halbleiterschicht 2 freitragend (Bereich 2a) . Die Mesa 9 ist somit im Übergangsbereich freitragend - nicht freitragend angeordnet bzw. zum Teil auf der nicht freitragenden Seite der homogenen Halbleiter- ■ . schicht 2 und zum Teil auf der freitragenden SeiteSemiconductor layer 2, in the region below 'the parting line T (range Tu) is not self-supporting, the homogeneous semiconductor layer 2, self-supporting (area 2a). The mesa 9 is thus cantilevered in the transition region - not cantilevered or partly on the non-cantilevered side of the homogeneous semiconductor. layer 2 and partly on the self-supporting side
(Bereich '2a der homogenen Halbleiterschicht) angeordnet. Beim dargestellten Beschleunigungssensor erfolgt die Signalbestimmung mit Hilfe des Hall-Effektes.(Area '2a of the homogeneous semiconductor layer) arranged. In the acceleration sensor shown, the signal is determined using the Hall effect.
Nach der Bestimmung der Schichtleitfähigkeit und des Hall-Widerstandes ist daraus die Ladungsträgerart, die Ladungsträgerdichte und die Ladungsträgerbeweglichkeit bestimmbar. Alternativ zu der Ausführung als Vierpunkt-Struktur nach van der Pauw kann die Schaltung auch als Hallbar-Struktur ausgeführt sein. Die Kontakte 5a bis 5d sind Ohmsche Kontakte, die Zuleitungen 11 verlaufen auf dem GaN-Puffer..After determining the layer conductivity and the Hall resistance, the type of charge carrier, the charge carrier density and the charge carrier mobility can be determined. As an alternative to the four-point structure according to van der Pauw, the circuit can also be designed as a Hallbar structure. The contacts 5a to 5d are ohmic contacts, the leads 11 run on the GaN buffer.
Die Figuren 2g und 2h skizzieren eine alternativeFigures 2g and 2h outline an alternative
Ausführungsform der van der Pauw-Struktur zur Verwendung bei einer Hall-Effekt-Messmethode. Gezeigt sind eine rasterelektronenmikroskopische' Aufsieht einer homogenen Halbleiterstrukturmembran 2 und vier Öff- nungen 12a bis 12d für die Ätzung von oben sowie vier elektrischen Zuleitungen 13 und vier Ohmsche Kontakte 14 (die Zuleitungen 13 laufen von den Kontakten 14 in Richtung nach innen, d.h. zum Bereich der Öffnungen 12, spitz zu) . Nach erfolgter Ätzung entsteht im Bereich der Bildmitte (Bereich 2c) ein freistehender Membranabschnitt 2c, "welcher beispielsweise durch eine mechanische Kraft oder durch einen Strömungsdruck ausgelenkt werden kann.Embodiment of the van der Pauw structure for use in a Hall effect measurement method. A scanning electron microscope 'looks up a homogeneous semiconductor structure membrane are shown 2 and four open- ings 12a to 12d for etching from above and four electrical leads 13 and four ohmic contacts 14 (the supply lines 13 run from the contacts 14 in the inward direction, ie to the area of the openings 12, pointed). After the etching has taken place, a free-standing membrane section is formed in the area of the center of the image (area 2c) 2c, " which can be deflected, for example, by a mechanical force or by a flow pressure.
Figur 3a zeigt einen erfindungsgemäßen Drucksensor, der im wesentlichen dieselben Bauteile wie die bereits in den Figuren 1 und 2 beschriebenen Sensoren aufweist. Bei dem vorliegenden Drucksensor ist der freitragende, auslenkbare Teil 2a der homogenen Halb- leiterschicht 2 aus GaN als kreisförmige Membran 2c ausgeformt. Im Bereich der Ankerpunkte 3 weist die Membran 2c zwei Mesen..bzw._ Erhebungen 9a und 9b auf, bei denen auf der GaN-Schicht eine AlGaN-Schicht angeordnet ist. Die AlGaN/GaN-Heterostruktur besteht somit nur im Mesa- bzw. Widerstandsbereich 9. Besteht ein Unterschied im Druck auf beiden Seiten der Membran 2c, so wölbt sich diese aus. Der darunterliegende, ausgeätzte Hohlraum 6 ist ebenfalls kreisförmig. Durch die Auswölbung wird die Membran 2c (freitragen- de Abschnitte 2a und nicht freitragende Abschnitte 2b an der Substratkante la) an der Substratkante verspannt wodurch sich ihre Polarisation ändert: Im He- terostrukturkanal bzw. im Mesabereich 9a und 9b entsteht an der Grenzschicht zwischen der AlGaN- und der GaN-Schicht eine Ladungsträgerdichte bzw. -ansamm- lung, welche mit Hilfe der Kontakte 5 als Ausgangs- ' signal abgeleitet wird. Die Kontakte 5 sind unmittelbar am Heterostrukturkanal der AlGaN/GaN- Schichtenfolge angeordnet. Das Ausgangssignal bzw. dessen Änderung wird über die Widerstandsbalken bzw. die Mesabereiche 9a und 9b gemessen. Die Messung des Druckunterschieds zwischen Ober- und Unterseite der Membran 2c erfolgt somit über die Wölbung selbiger. Eine Temperaturunabhängig- keit des Sensors wird über eine Verschaltung nachFIG. 3a shows a pressure sensor according to the invention, which essentially has the same components as the sensors already described in FIGS. 1 and 2. In the present pressure sensor, the self-supporting, deflectable part 2a of the homogeneous semiconductor layer 2 made of GaN is shaped as a circular membrane 2c. In the area of the anchor points 3, the membrane 2c has two mes .. or elevations 9a and 9b, in which an AlGaN layer is arranged on the GaN layer. The AlGaN / GaN heterostructure thus only exists in the mesa or resistance range 9. If there is a difference in the pressure on both sides of the membrane 2c, this bulges out. The underlying, etched cavity 6 is also circular. Due to the bulging, the membrane 2c (self-supporting sections 2a and non-self-supporting sections 2b on the substrate edge la) is braced on the substrate edge, as a result of which its polarization changes: in the heterostructure channel or in the mesa region 9a and 9b, the boundary layer between the AlGaN and the GaN layer a charge carrier density or accumulation, which is derived with the help of the contacts 5 as an output ' signal. The contacts 5 are arranged directly on the heterostructure channel of the AlGaN / GaN layer sequence. The output signal or its change is measured via the resistance bars or the mesa ranges 9a and 9b. The measurement of the pressure difference between the top and bottom of the membrane 2c thus takes place via the curvature of the same. A temperature independence of the sensor is verified by an interconnection
Wheatstone erreicht. Für die richtige Funktion dieser Wheatstone-Brücke sind zwei konstante Referenzwiderstände erforderlich. Diese Aufgabe erfüllen die beiden Widerstände 9c und 9d an den Ankerpunkten der beiden halbkreisförmigen Membranen 2d links und rechts von der Hauptmembran 2c. Wie bei der Membran 2c liegt bei den Membranen 2d nur im Widerstandsbzw. Mesabereich 9 eine Heterostruktur vor (sonst nur GaN-Puffer) . Beide Membranen 2d haben Bereiche mit entferntem GaN-Puffer 2 (ganz links bzw. ganz rechts, 6a und 6b) , wodurch sich keine Druckdifferenz und somit keine Verspannung in den Membranen 2d ausbilden kann. Dadurch bleiben beide Widerstände 9c und- 9d - - druckunabhängig, nicht jedoch temperaturunabhängig, was die Verschaltung gegen thermische Einflüsse un- empfindlich macht. Der Grund für die runde Form derWheatstone reached. For the correct function of this Wheatstone bridge requires two constant reference resistors. This task is performed by the two resistors 9c and 9d at the anchor points of the two semicircular membranes 2d to the left and right of the main membrane 2c. As with the membrane 2c, the membrane 2d is only in the resistance or Mesa region 9 a heterostructure (otherwise only GaN buffer). Both membranes 2d have areas with removed GaN buffer 2 (far left or far right, 6a and 6b), as a result of which no pressure difference and therefore no tension can form in the membranes 2d. As a result, both resistors 9c and 9d remain independent of pressure, but not independent of temperature, which makes the connection insensitive to thermal influences. The reason for the round shape of the
Membranen ist geometrisch bedingt, da so die Verspannung an der gesamten Substratkante la gleich ist und die Membran 2c somit ihre größte Stabilität erhält. Das hier verwendete optionale, vorzugsweise als Schottky-Kontakt ausgeführte Gate (in der Figur unten links, 10) dient zur Arbeitspunkteinstellung. Die Funktionsweise der Schaltung des in Figur 3a dargestellten Drucksensors ist identisch mit der Funktionsweise der Schaltung für die in Figur 2a bis 2d be- schriebenen Beschleunigungssensoren: Es werden vier Widerstände 9a bis 9d verwendet, davon die zwei Widerstände 9a und 9b auf einer Druckdose bzw. Membran 2c und zwei Widerstände 9c und 9d auf den halbkreisförmigen Membranen 2d. Wie bereits beschrieben ist bei Über- oder Unterdruck oberhalb der Membran 2c im Vergleich zum unter der Druckdose bzw. Membran 2c eingeschlossenen Gasvolumen die Membran 2c auslenkbar. Durch die Bereiche mit entferntem GaN-Puffer (6a und 6b) existiert an den Membranen 2d kein geschlos- senes Gasvolumen, die Membranen 2d sind also nicht auslenkbar und die Widerstände 9c und 9d dienen als Referenzwiderstände. Bei einer Druckänderung werden daher die beiden Widerstände 9a und 9b auf der Dose 2c geändert, die beiden Referenzwiderstände 9c und 9d jedoch nicht. Durch die Wheatstone-Beschaltung der vier Widerstände 9a bis 9d kann wieder eine Stromänderung (und diese wiederum unabhängig von Störungen, wie beispielsweise durch die Temperatur, da diese Störungen auf alle vier Widerstände gleich wirken, und die beiden Referenzwiderstände 9c und 9d nicht ausgelenkt werden) gemessen werden, wiederum ohne den Wert der Widerstände 9 wirklich kennen zu müssen. Die - wirksamen Widerstände 9a bis 9d befinden sich auch hier wieder am Übergangsbereich 3 des nicht freistehenden Halbleiters 2b zum freistehenden 2a und sind, wie bereits beschrieben, in Form einer Mesa ausgeführt, d.h. die Membranen 2c und 2d selbst sind auch hier nur GaN-Puffer. Im Unterschied zu der in den Figuren 2a bis 2d verwendeten Wheatstone-Schaltung ist die Breite b der Widerstände 9a und 9b wesentlich hö- her, um einen höheren Effekt zu erhalten (höhererMembranes are geometrically determined, since the tension on the entire substrate edge la is the same and the membrane 2c thus receives its greatest stability. The optional gate used here, preferably in the form of a Schottky contact (bottom left, 10 in the figure) is used for setting the operating point. The mode of operation of the circuit of the pressure sensor shown in FIG. 3a is identical to the mode of operation of the circuit for the acceleration sensors described in FIGS. 2a to 2d: four resistors 9a to 9d are used, two of which are resistors 9a and 9b on a pressure cell or Membrane 2c and two resistors 9c and 9d on the semicircular membranes 2d. As already described, the membrane 2c can be deflected at an overpressure or underpressure above the membrane 2c in comparison with the gas volume enclosed under the pressure cell or membrane 2c. Due to the areas with removed GaN buffer (6a and 6b) there is no closed gas volume on the membranes 2d, the membranes 2d are therefore not deflectable and the resistors 9c and 9d serve as Reference resistors. In the event of a pressure change, the two resistors 9a and 9b on the socket 2c are therefore changed, but the two reference resistors 9c and 9d are not. The Wheatstone connection of the four resistors 9a to 9d can again cause a current change (and this, in turn, is independent of disturbances, such as temperature, since these disturbances have the same effect on all four resistors and the two reference resistors 9c and 9d are not deflected) be measured, again without really having to know the value of the resistors 9. The effective resistors 9a to 9d are again located at the transition area 3 of the non-free-standing semiconductor 2b to the free-standing 2a and, as already described, are designed in the form of a mesa, ie the membranes 2c and 2d themselves are also only GaN buffers here , In contrast to the Wheatstone circuit used in FIGS. 2a to 2d, the width b of the resistors 9a and 9b is significantly larger in order to obtain a higher effect (higher
Strom, da hier sozusagen eine Parallelschaltung einzelner Sensorelemente entlang der Richtung b eines Widerstands 9 vorliegt) . Die Verwendung solch breiter Widerstände ist bei einem Beschleunigungssensor nicht gut möglich, da dieser ansonsten zu wenig Bewegungsmöglichkeiten hat. Alternativ zu der dargestellten Ausführungsform mit Gate 10 sind auch andere Ausführungsformen ohne Gate möglich. Als Membranformen können auch andere als kreisförmige bzw. halbkreisförmi- ge (z.B. rechteckige oder quadratische Flächen) verwendet werden. Die Figur 3b zeigt eine rasterelektro- nenmikroskopische Aufnahme der freigeätzten Hohlräume 2dl und 2cl, welche für die Dose 2c bzw. die Referenzmembranen 2d verwendet werden.Current, since here, so to speak, there is a parallel connection of individual sensor elements along the direction b of a resistor 9). The use of such wide resistors is not possible with an acceleration sensor, since it otherwise has too few possibilities of movement. As an alternative to the illustrated embodiment with gate 10, other embodiments without a gate are also possible. Membrane shapes other than circular or semicircular (e.g. rectangular or square) surfaces can also be used. FIG. 3b shows a scanning electron micrograph of the etched cavities 2dl and 2cl, which are used for the can 2c and the reference membranes 2d.
Figur 4 zeigt schematisch einen Schichtaufbau einer zur Herstellung einer aktiven, freitragenden homogenen Halbleiterschicht in Form eines Balkens verwendeten Probe. Basis der Probe bildet ein etwa 300 μm dickes Siliziumsubstrat 1. Auf diesem Siliziumsubstrat ist eine etwa 1,7 μm dicke homogene Halbleiterschicht aus GaN 2f aufgebracht. Wiederum auf dieser Schicht 2f aufgebracht ist eine Deckschicht 2e (Dicke etwa 20 nm) aus Al0.2Ga0.sN. Aus der gezeigten Probe ist also ein Heterostruktur-Sensorelement herstellbar.Figure 4 shows schematically a layer structure of a sample used to produce an active, self-supporting, homogeneous semiconductor layer in the form of a bar. An approximately 300 μm thick silicon substrate 1 forms the basis of the sample. An approximately 1.7 μm thick homogeneous semiconductor layer made of GaN 2f is applied to this silicon substrate. A cover layer 2e (thickness approximately 20 nm) made of AlO is applied again to this layer 2f. 2 Ga0.sN. A heterostructure sensor element can therefore be produced from the sample shown.
Figur 5 zeigt einen wesentlichen Schritt, das Unterätzen der Balkenstruktur-, bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Heterostruktur-Sensorelements schematisch. Anhand von Figur 5 seien zunächst auch die anderen Schritte des Halbleiterstrukturierungsverfah- rens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelementes erläutert. Zunächst wird aus dem Verbund aus homogener Halbleiterschicht 2f und Deckschicht 2e (GaN bzw. Alo.2Gao.8N) eine Mesa einer gewünschten Grundfläche ausgeätzt, in dem die Heterostruktur 2e, 2f außerhalb der Grundfläche bis auf die Substratbasis 1 weggeätzt wird. Die zurückbleibende Mesa ist in Figur 5 rechts oben gezeigt (Abschnitt 2e, 2f) . Die zu unterätzenden Bereiche ^(Mesabereich 2e, 2f rechts im Bild sowie Substratbereich links im Bild) werden durch eine Aluminiummaske 7 abgedeckt. Die abgedeckten Bereiche werden anschließend durch ein reaktives Ionenätzverfahren mit Unterstützung von Halogenen im Reaktionsgas geätzt: Das im Beispiel verwendete Tro- ckenätzverfahren verwendet ein CF4-Plasma, welches mit Sauerstoff angereichert ist. Die Ätzung erfolgt hierdurch durch einen mechanischen Anteil (CF4/02) , welcher durch entsprechende Beschleunigung der Ionen zustandekommt, sowie einen chemischen Ätzanteil (F~- Ionen) . Figur 6 zeigt den grundlegenden Aufbau eines freitragenden (d.h. einen nicht mit einem nichtmetallischen und nicht halbleitenden Material aufgefüllten Abstandsbereich d aufweisenden) Balkens bzw. einer freitragenden homogenen Halbleiterschicht 2f aus GaN auf einem Siliziumsubstrat 1, welcher bzw. welche mit Hilfe des anhand von Figur 5 beschriebenen Ätzprozesses hergestellt wurde. Der freitragende Balken 2f liegt am linken bzw. am rechten Ende auf dem Silizi- umsubstrat 1 auf. In der Mitte zeigt das schematisch dargestellte Sensorelement einen Hohlraum 6 unterhalb der homogenen Halbleiterschicht 2f, welcher durch die in der Beschreibung von Figur 5 dargestellten Ätzprozesse erzeugt wurde. Die Tiefe der Kavität beträgt etwa d=150 μm. Direkt auf der Oberseite der freitragenden aktiven homogenen Halbleiterschicht 2f sind zwei Kontakte 5a (am linken Balkenende) und 5b (am rechten Balkenende) angebracht, mit welchen das bei Durchbiegung oder Auslenkung des Balkens 2f erzeugte elektrische Ausgangssignal abnehmbar bzw. ableitbar ist.FIG. 5 shows an essential step, the under-etching of the bar structure, schematically in the production of a heterostructure sensor element according to the invention. 5, the other steps of the semiconductor structuring method for producing a sensor element according to the invention are first explained. First, a mesa of a desired base area is etched out of the composite of homogeneous semiconductor layer 2f and cover layer 2e (GaN or Alo.2Gao.8N), in which the heterostructure 2e, 2f is etched away to the substrate base 1 outside the base area. The remaining mesa is shown at the top right in FIG. 5 (section 2e, 2f). The areas ^ to be etched (mesa area 2e, 2f on the right in the picture and substrate area on the left in the picture) are covered by an aluminum mask 7. The covered areas are then etched using a reactive ion etching process with the support of halogens in the reaction gas: The dry etching process used in the example uses a CF 4 plasma which is enriched with oxygen. The etching takes place thereby by a mechanical portion (CF 4/0 2) which is brought about by appropriate acceleration of the ions, as well as a chemical Ätzanteil (F ~ - ions). FIG. 6 shows the basic structure of a cantilevered bar (ie a spacing area d not filled with a non-metallic and non-semiconducting material) or a cantilevered homogeneous semiconductor layer 2f made of GaN on a silicon substrate 1, which or which with the aid of FIG described etching process was produced. The cantilever bar 2f rests on the silicon substrate 1 at the left or right end. In the middle, the schematically illustrated sensor element shows a cavity 6 below the homogeneous semiconductor layer 2f, which was generated by the etching processes shown in the description of FIG. The depth of the cavity is approximately d = 150 μm. Directly on the top of the self-supporting active homogeneous semiconductor layer 2f are two contacts 5a (at the left end of the beam) and 5b (at the right end of the beam), with which the electrical output signal generated when the beam 2f is deflected or deflected can be removed or derived.
Figur 7 zeigt einen erfindungsgemä en Beschleunigungssensor im Schnitt. Die Schnittebene liegt hier- bei senkrecht zur Substratoberfläche. Die Figur zeigt ein Siliziumsubstrat 1 mit einer Dicke von dι=300 μm. Auf diesem Siliziumsubstrat 1 ist eine homogene GaN- Halbleiterschicht 2f angeordnet. Diese ist in der Mitte bzw. im Zentrum unterätzt, so dass in einem quaderförmigen Bereich (Hohlraum 6) unterhalb der Schicht 2f das Substrat 1 zumindest teilweise entfernt wurde: Im Randbereich des quaderförmigen Bereichs wurde das Substrat 1 komplett entfernt (so dass die Unterseite der Schicht 2f freiliegt) , im In- nenbereich des quaderförmigen Bereichs wurde das Substrat nicht vollständig entfernt, so dass ein mit der Schicht 2f verbundener Substratrest verbleibt, welcher eine seismische Masse 4 bildet. In der dargestellten Struktur bildet die homogene GaN- Halbleiterschicht 2f somit einen freitragenden Halte- balken bzw. eine Membran aus, welcher bzw. welche zumindest an zwei Bereichen (seitlich links und rechts gezeigt) auf dem Substrat 1 aufliegt und an welchem bzw. welcher zentral mittig die seismische Masse 4 freihängend befestigt ist. Die seismische Masse 4 kann somit durch eine Beschleunigungseinwirkung nach oben bzw. nach unten ausgelenkt werden (Pfeile im Bild)' . Auf ihrer der Subεtratoberflache abgewandten Oberfläche weist die homogene Halbleiterschicht 2f zwei Erhebungen bzw. zwei Mesabereiehe auf. Jeder der Mesabereiehe erstreckt sich hierbei in einer Richtung parallel zur Substratoberfläche (im Bild: von links nach rechts) bzw. parallel zur Oberfläche der homogenen Halbleiterschicht 2f von dem Bereich, wo die Schicht 2f von dem Substrat 1 unterstützt wird, über den Bereich, wo die Schicht 2f an ihrer Unterseite vom Substrat befreit wurde, bis in den Bereich, wo die seismische Masse 4 unterhalb der Schicht 2f angeordnet ist. Die Dicke der Schicht 2f beträgt außerhalb der Mesabereiehe im gezeigten Fall d2=l,7 μm (allgemein beträgt sie bevorzugt zwischen 0,5 μm und 3 μm) . Im Bereich der Mesen weist die Schicht 2f hier eine Dicke von 1,93 μm auf (allgemein beträgt die zusätzliche Dicke der Schicht 2f im Mesabereich bevorzugt zwischen 170 nm und 290 nm. Auf den Mesen der Schicht 2f ist eine Deckschicht 2e aus AlGaN' aufgebracht, so dass sich im Mesabereich eine Heterostruktur ausbildet. Die Deckschicht 2e weist hier eine Dicke von 20 nm auf (allgemein beträgt die Dicke der Deckschicht bevorzugt zwischen 10 nm und 30 nm) , so dass sich eine Mesahöhe von d3=250 nm ergibt (ohneFIG. 7 shows an acceleration sensor according to the invention in section. The cutting plane is perpendicular to the substrate surface. The figure shows a silicon substrate 1 with a thickness of d = 300 μm. A homogeneous GaN semiconductor layer 2f is arranged on this silicon substrate 1. This is under-etched in the middle or in the center, so that the substrate 1 was at least partially removed in a cuboid area (cavity 6) below the layer 2f: In the edge area of the cuboid area, the substrate 1 was completely removed (so that the underside of the Layer 2f exposed), in the inner area of the cuboid area the substrate was not completely removed, so that one with the Layer 2f of connected substrate residue remains, which forms a seismic mass 4. In the structure shown, the homogeneous GaN semiconductor layer 2f thus forms a self-supporting holding beam or a membrane which rests on the substrate 1 in at least two areas (shown on the left and right) and on which or which centrally in the middle the seismic mass 4 is attached freely suspended. The seismic mass 4 can thus be deflected upwards or downwards by the action of acceleration (arrows in the figure) ' . On its surface facing away from the substrate surface, the homogeneous semiconductor layer 2f has two elevations or two mesa ranges. Each of the mesa ranges extends in a direction parallel to the substrate surface (in the picture: from left to right) or parallel to the surface of the homogeneous semiconductor layer 2f from the area where the layer 2f is supported by the substrate 1, over the area where the bottom of the layer 2f has been freed from the substrate, down to the area where the seismic mass 4 is arranged below the layer 2f. The thickness of the layer 2f outside the mesa range in the case shown is d 2 = 1.7 μm (in general, it is preferably between 0.5 μm and 3 μm). In the area of the meses, layer 2f here has a thickness of 1.93 μm (in general, the additional thickness of layer 2f in the mesa range is preferably between 170 nm and 290 nm. A cover layer 2e made of AlGaN 'is applied to the mesas of layer 2f so that a heterostructure is formed in the mesa region. The cover layer 2e here has a thickness of 20 nm (generally the thickness of the cover layer is preferably between 10 nm and 30 nm), so that a mesa height of d 3 = 250 nm results ( without
Kontakte 5, siehe später) . Der dargestellte Beschleu- nigungssensor weist somit eine erfindungsgemäße Heterostruktur auf. An der Grenzschicht zwischen der GaN- Schicht 2f und der AlGaN-Deckschicht 2e (also im Mesabereich) liegt der Heterostrukturkanal 2g. In jeder Mesa sind unmittelbar an den Heterostrukturkanal 2g angrenzend zwei Kontaktbereiche angeordnet. Hierbei ist jeweils ein Kontaktbereich im nicht freitragendenContacts 5, see later). The shown accelerator Inclination sensor thus has a heterostructure according to the invention. The heterostructure channel 2g lies at the boundary layer between the GaN layer 2f and the AlGaN cover layer 2e (ie in the mesa range). In each mesa, two contact areas are arranged directly adjacent to the heterostructure channel 2g. Here is a contact area in the non-cantilever
Bereich (d.h. im Bereich oberhalb der Substratunterstützung 1) angeordnet und ein Kontaktbereich im freitragenden Bereich (hier: oberhalb des Bereichs, wo die Substratschicht 1 unterhalb der Schicht 2f entfernt wurde und im Bereich der aufgehängten seismischen Masse 4) . Jeder der vier dargestellten Kontaktbereiche besteht aus einem durch Legieren ent- standenen Kontaktbereich zum Heterostrukturkanal 2gArea (i.e. in the area above the substrate support 1) and a contact area in the self-supporting area (here: above the area where the substrate layer 1 has been removed below the layer 2f and in the area of the suspended seismic mass 4). Each of the four contact areas shown consists of a contact area to the heterostructure channel 2g formed by alloying
(bzw. zum Heterointerface) in den Halbleiterschichten 2e und 2f (dieser Bereich ist durch das Bezugszeichen 2h gekennzeichnet) und aus einem oberhalb des Kontaktbereichs 2h aufgebrachten metallischen Kontakt 5. Die Kontakte 5 sind mit elektrischen Zuleitungen 11 versehen. Wird durch Beschleunigungseinflüsse die seismische Masse 4 nach oben oder unten ausgelenkt, so entsteht in den Heterostrukturbereichen bzw. den Mesabereichen ein elektrisches Signal. Der Bereich, in dem dieses Signal entsteht, ist durch das Bezugszeichen B gekennzeichnet. Das Signal wird dann durch die Kontaktb'ereiche 2h und die Kontakte 5a bis 5d sowie die elektrischen Zuleitungen 11 abgeführt. Dieses ist symbolisch durch die Stromflusslinie 15 gekenn- zeichnet'. Die Kontaktbereiche sind somit unmittelbar am Heterostrukturkanal 2g angeordnet. Entscheidend ist bei der beschriebenen Konfiguration, dass in jedem Widerstands- bzw. Mesabereich ein Kontakt in einem feststehenden Bereich der Heterostruktur bzw. der Schichten 2e und 2f angeordnet ist (d.h. in einen Bereich, wo die Heterostruktur bzw. die Schicht 2f vom Siliziu substrat 1 unterstützt ist) und dass der andere Kontakt eines jeden Widerstands- bzw. Mesabereichs im freischwebenden Membranbereich bzw. Haltebalkenbereich liegt. Im dargestellten Fall ist der Übergang von fest nach frei etwa in der Mitte unterhalb des Mesabereichs . Beim vorstehenden Aufbau wird somit gezielt nur in einem definierten Längenstück eine Mesa definiert, somit trägt auch nur eine in diesem Längenstück auftretende Krümmung zum entste- henden Messsignal bei. Die Mesabereiehe werden vorteilhafterweise im Bereich der größten auftretenden Krümmungen bei Auslenkung angeordnet. Gegenüber einer Anordnung, bei welcher beispielsweise zwei Kontakte im feststehenden Bereich (d.h. oberhalb des Silizium- substrats 1) angeordnet sind und durch ein geschlossenes Heterostrukturlängenstück, welches teilweise auf einer Membran verläuft, verbunden werden (wodurch die auftretenden Krümmungen zum Teil gegenläufig sind) hat die vorliegende Anordnung den Vorteil, dass nicht mit einem durch die gegenläufigen Krümmungen verursachten, extrem geringen resultierenden Signalanteil zu rechnen ist, sondern mit einem deutlich höheren Signalanteil. Im gezeigten Fall tragen also nicht alle Längen bzw. Elemente eines elektrisch ge- schlossenen Pfades bzw. alle Krümmungen im Material bei Auslenkung der Membran bzw. des Balkens zum Signal bei. Bei erfindungsgemäßen Strukturen der gezeigten Anordnung gilt grundsätzlich, dass nur im Bereich der Mesa die Heterostruktur erhalten bleibt (dort liegt dann der nutzbare aktive Bereich des Halbleiters) und dass außerhalb der Mesa bzw. des entsprechenden Bereichs die Heterostruktur weggeätzt wird und nur noch eine homogene Schicht 2f als Restmembran bzw. Resthaltebalken verbleibt. Die Lage der Kontakte 5 befindet sich hierbei vorteilhafterweise an den äußeren Kanten der Mesabereiehe. Die im unteren Bereich der Figur 7 dargestellte rasterelektronenmikroskopi- sche Aufnahme zeigt eine Untenansicht des Siliziumsubstrates 1, aus dem der quaderförmige Bereich bereits ausgeätzt ist und somit die seismische Masse 4 zu erkennen ist. Der in Figur 7 dargestellte Sensor sowie alle anderen gezeigten Sensoren können auch in Formen ohne Heterostruktur (d.h. nur mit der homogenen Halbleiterschicht 2f) ausgeführt werden. Die Sensorfunktionalität wird dann durch geometrische Defi- nition des Mesabereichs sichergestellt. Dies geschieht durch geeignete Ätzung. Die Mesa kann dann angepasste' Ätztiefen (je nach. Material) erhalten,,- um¬ parasitäre Effekte aus dem angrenzenden, verbleibenden Membran-Material (Puffer bzw. Nicht-Mesabereich) zu unterbinden. Die Signal- bzw. Effektstärke verändert sich hierbei -je nach Materialtyp, es steht zu vermuten, dass der Effekt bei Bulk-Material am größten ist.(or to the hetero interface) in the semiconductor layers 2e and 2f (this area is identified by the reference symbol 2h) and from a metallic contact 5 applied above the contact area 2h. The contacts 5 are provided with electrical leads 11. If the seismic mass 4 is deflected upwards or downwards by the effects of acceleration, an electrical signal is produced in the heterostructure regions or the mesa regions. The area in which this signal is generated is identified by the reference symbol B. The signal is then discharged through the Kontaktb 'REAS 2h and the contacts 5a to 5d and the electrical leads. 11 This is symbolically identified by the current flow line 15 ' . The contact areas are thus arranged directly on the heterostructure channel 2g. It is decisive in the configuration described that in each resistance or mesa region a contact is arranged in a fixed region of the heterostructure or layers 2e and 2f (ie in a region where the heterostructure or layer 2f from Silicon substrate 1 is supported) and that the other contact of each resistance or mesa area is in the floating membrane area or retaining bar area. In the case shown, the transition from fixed to free is approximately in the middle below the mesa range. With the above structure, a mesa is thus deliberately defined only in a defined length, so that only a curvature occurring in this length contributes to the resulting measurement signal. The mesa series are advantageously arranged in the region of the largest curvatures that occur during deflection. Compared to an arrangement in which, for example, two contacts are arranged in the fixed area (ie above the silicon substrate 1) and are connected by a closed heterostructure length piece, which partly runs on a membrane (which means that the curvatures that occur are partly opposing) The present arrangement has the advantage that an extremely small resulting signal component caused by the opposing curvatures is not to be expected, but rather a significantly higher signal component. In the case shown, therefore, not all lengths or elements of an electrically closed path or all curvatures in the material contribute to the signal when the membrane or the beam is deflected. In the structures of the arrangement shown according to the invention, it is basically the case that the heterostructure is retained only in the area of the mesa (the usable active area of the semiconductor then lies there) and that the heterostructure is etched away outside the mesa or the corresponding area and only a homogeneous layer 2f remains as a residual membrane or retaining bar. The position of the contacts 5 is advantageously located on the outer edges of the mesa series. The one at the bottom The scanning electron micrograph shown in FIG. 7 shows a bottom view of the silicon substrate 1, from which the cuboid area has already been etched out and thus the seismic mass 4 can be seen. The sensor shown in FIG. 7 and all the other sensors shown can also be designed in forms without a heterostructure (ie only with the homogeneous semiconductor layer 2f). The sensor functionality is then ensured by geometrically defining the mesa range. This is done by suitable etching. The mesa can be adapted 'etch depths (depending on the material.) Obtained ,, - parasitic effects to ¬ from the adjacent, remaining membrane material (buffer or non-mesa) to be prevented. The signal or effect strength changes - depending on the material type, it can be assumed that the effect is greatest with bulk material.
Figur 8 zeigt erfindungsgemäße Sensorelemente in Form von freitragenden, einseitig bzw. mit einem Ankerpunkt befestigten Balken. Diese wurden mit Hilfe von an dem dem Ankerpunkt gegenüberliegenden Balkenende befestigten Opfermembranen erzeugt. In Figur 8a sind drei solcher erfindungsgemäßen Balken mit freitragendem Balkenende 2a, welches zunächst mit einer Opfermembran 2k über eine Sollbruchstelle 21 verbunden ist, gezeigt. Weiter gezeigt sind vier elektrische Kontakte 5a bis 5d, welche über elektrische Zuleitun- gen 11 mit einer Mesa 9 verbunden sind, welche wie bereits beschrieben, teilweise oberhalb des freistehenden Bereiches und teilweise oberhalb des feststehenden Bereiches der Halbleiterstrukturschicht 2 angeordnet ist. Die gezeigte Halbleiterstruktur wird wie folgt hergestellt: Die Mesa 9 (bestehend aus einem Anteil der GaN-Schicht 2f und aus einem Anteil der AlGaN-Deckschicht 2e) wird durch eine erste Ätzung hergestellt. Die Heterostruktur bleibt also nur im Bereich 9 vollständig erhalten (aktiver, stro - durchflossener Bereich) . Die Tiefe bei der ersten Ät- zung ist im Bereich von 200 nm bis 500 nm. In einem zweiten Ätzschritt wird dann außerhalb der Mesa 9 der Bereich 2f-T ausgeätzt, welcher die Balkenstruktur bzw. die freitragende Balkenstruktur 2a selbst definiert (dabei wird das GaN von oben komplett bis auf das Substrat 1 weggeätzt) . Diese Art der Strukturierung der GaN-Schichten wird bevorzugt angewendet, wenn, die Ätzung_ des Hohlraums 6 von oben erfolgt'. Wird die Ätzung des Hohlraums 6 von der Rückseite her durchgeführt (im Bild gekennzeichnet durch das Be- zugszeichen RA) wie es im Falle der Verwendung des ICP-Standardverfahrens bei Siliziumsubstraten der Fall ist, so reicht eine Ätzung von oben in Form der Tiefenätzung (etwa bei Balken bzw. zur Definition der Balkenstruktur, die teilweise auch als „tiefe Mesa" bezeichnet wird) , um diese Geometrie zu definieren, es kann aber auch die beschriebene Ätzung in zwei Schritten angewandt werden. Im dargestellten Fall ist die Schaltung mit Gates 10 ausgeführt. Die dargestellten Sensorelemente wurden durch trockenchemi- sches Ätzen mit dem Reaktionsgas CF4 unter Sauerstoffzugäbe von der Oberseite eines [111] - Siliziumsubstrats hergestellt. Die [111] -Oberfläche des Siliziumsubstrats wird wegen des hexagonalen Gitteraufbaus der Gruppe III-Nitride verwendet. Die Ät- zung geht grundsätzlich von der Rückseite und von derFIG. 8 shows sensor elements according to the invention in the form of self-supporting beams which are fastened on one side or with an anchor point. These were created using sacrificial membranes attached to the beam end opposite the anchor point. FIG. 8a shows three such beams according to the invention with a self-supporting beam end 2a, which is initially connected to a sacrificial membrane 2k via a predetermined breaking point 21. Also shown are four electrical contacts 5a to 5d which are connected via electrical feed lines 11 to a mesa 9 which, as already described, is arranged partly above the free-standing region and partly above the fixed region of the semiconductor structure layer 2. The semiconductor structure shown is produced as follows: The mesa 9 (consisting of a portion of the GaN layer 2f and a portion the AlGaN cover layer 2e) is produced by a first etching. The heterostructure is therefore only fully preserved in area 9 (active, flowed area). The depth during the first etching is in the range from 200 nm to 500 nm. In a second etching step, the area 2f-T is then etched outside the mesa 9, which area defines the beam structure or the self-supporting beam structure 2a itself (this is the case here GaN completely etched away from the top down to the substrate 1). This kind of patterning the GaN layers is preferred when, 6 takes place from the top of the cavity Ätzung_ '. If the etching of the cavity 6 is carried out from the rear (identified by the reference symbol RA in the image), as is the case when using the ICP standard method for silicon substrates, then an etching from above in the form of deep etching (approximately in the case of bars or to define the bar structure, which is sometimes also referred to as a “deep mesa”), in order to define this geometry, but the etching described can also be used in two steps. In the case shown, the circuit is implemented with gates 10 The sensor elements shown were produced by dry chemical etching with the reaction gas CF 4 with the addition of oxygen from the top of a [111] silicon substrate. The [111] surface of the silicon substrate is used because of the hexagonal lattice structure of the group III nitrides - tongue basically goes from the back and from the
Oberseite. Für das Ätzen von der Rückseite können Standardverfahren (ICP, Bosch-Prozess) eingesetzt werden. Die Ätzung der Rückseite kann auch mit dem RIE-Verfahren (Reactive Ion Etch) erfolgen. Die Ät- zung der Oberseite erfolgt bevorzugt mit dem RIE- Verfahren. Wird wie beschrieben eine Opfermembran 2k mit Sollbruchstelle 21 verwendet, ist es möglich, sehr lange und sehr schmale Balken zu erzeugen, beispielsweise Balken mit nur 1 μm Breite, aber 100 μm Länge. Dies gelingt, indem man an das später freiste- hende Balkenende 2a die Opfermembran 2k anbringt, die erst nach der Ätzung vom eigentlichen Balken 2a getrennt wird (durch mechanischen Druck auf die Membran, die dann auf der Sollbruchstelle 2k bricht) . Figur 8b zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Auf- nähme, in der zwei Balken 2a, die noch über die Sollbruchstelle 21 mit der Opfermembran 2k verbunden sind, zu sehen sind. Figur 8c zeigt drei schmale Balken (freistehend) 2al, 2a2 und 2a3, welche wie beschrieben hergestellt wurden. Der oberste Balken 2al weist eine Länge von 100 μm bei einer Breite von 1 μm auf . Top. Standard processes (ICP, Bosch process) can be used for the etching from the back. The reverse side can also be etched using the RIE (Reactive Ion Etch) method. The top side is preferably etched using the RIE method. Becomes a sacrificial membrane 2k as described used with predetermined breaking point 21, it is possible to produce very long and very narrow bars, for example bars with a width of only 1 μm but a length of 100 μm. This is achieved by attaching the sacrificial membrane 2k to the later free-standing beam end 2a, which is only separated from the actual beam 2a after the etching (by mechanical pressure on the membrane, which then breaks at the predetermined breaking point 2k). FIG. 8b shows a scanning electron microscope image in which two bars 2a, which are still connected to the sacrificial membrane 2k via the predetermined breaking point 21, can be seen. Figure 8c shows three narrow bars (free-standing) 2al, 2a2 and 2a3, which were produced as described. The uppermost bar 2a has a length of 100 μm with a width of 1 μm.

Claims

Patentansprücheclaims
1. Halbleitersensorelement mit1. Semiconductor sensor element with
einer Substratbasis (1),a substrate base (1),
einer auf oder an der Substratbasis (1) angeordneten, homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) welche Halbleiterverbindungen auf Basis von Nitri- den von Hauptgruppe-III-Elementen enthält oder ' daraus besteht,one arranged on or at the substrate base (1), homogeneous semiconductor layer (2, 2f) which includes semiconductor compounds based on nitrides of main group III-elements or consists thereof,
wobei "die der Substratbasis (1) zugewandte Oberfläche der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) zumindest teilweise nicht direkt an die Sub- stratbasis (1) angrenzt bzw. einen Abstand zu der der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) zugewandten Oberfläche der Substratbasis (1) aufweistwherein " the surface of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) facing the substrate base (1) at least partially does not directly adjoin the substrate base (1) or a distance from the surface of the substrate base (2, 2f) facing the homogeneous semiconductor layer (2) 1) has
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
mindestens zwei elektrische Ableitungskontakteat least two electrical discharge contacts
(5) zur Ableitung eines durch die homogene Halbleiterschicht (2, 2f) aufgrund einer Änderung einer mit Hilfe des Halbleitersensorelements zu bestimmenden physikalischen Größe in der Halb- leiterschicht (2, 2f) erzeugbaren elektrischen(5) for deriving an electrical one that can be generated by the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) due to a change in a physical quantity to be determined with the aid of the semiconductor sensor element in the semiconductor layer (2, 2f)
Ausgangssignals auf, an und/oder unter der homogenen Halbleiterschicht (2,2f) angeordnet sind oder in diese integriert sind.Output signal on, at and / or below the homogeneous semiconductor layer (2,2f) are arranged or are integrated into this.
2. Halbleitersensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch,2. Semiconductor sensor element according to the preceding claim,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kontakte (5) im Bereich des nicht direkt an die Substratbasis (1) angrenzenden bzw. einen Abstand zu der Oberfläche der Substratbasis (1) aufweisenden Bereichs (2a) (Abstandsbereich) der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) angeordnet ist und dass mindestens einer der Kontakte (5) im Bereich eines in einem direkt an die Substratbasis (1) angrenzenden bzw. keinen Abstand zu der Oberfläche der Substratbasis (1) aufweisenden Bereichs (2b)characterized in that at least one of the contacts (5) is arranged in the region of the region (2a) (distance region) of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) that is not directly adjacent to the substrate base (1) or has a distance from the surface of the substrate base (1) and that at least one of the contacts (5) in the region of a region (2b) in a region (2b) which is directly adjacent to the substrate base (1) or has no spacing from the surface
(Nicht-Abstandsbereieh) der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) angeordnet ist.(Non-spacing range) of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) is arranged.
3. Halbleitersensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,3. Semiconductor sensor element according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die homogene Halbleiterschicht (2, 2f) einen Erhebungsbereich' bzw. Mesabereich (9) aufweist, welcher in Richtung senkrecht zu der der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) zugewandten Ober- fläche der Substratbasis (1)' eine größere Dicke aufweist als ein an diesen Bereich (9) in einer Richtung parallel zu der der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) zugewandten Oberfläche der Substratbasis (1) angrenzender Bereich (Nicht- Mesabereich) der homogenen Halbleiterschicht (2,the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) has an elevation region ' or mesa region (9) which has a greater thickness than that in the direction perpendicular to the surface of the substrate base (1)' facing the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) this region (9) in a direction parallel to the surface of the substrate base (1) facing the homogeneous semiconductor layer (2, 2f), the region (non-mesa region) of the homogeneous semiconductor layer (2,
2f) .2f).
4. Halbleitersensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch,4. Semiconductor sensor element according to the preceding claim,
dadurch gekennzei chnet, dasscharacterized in that
der Erhebungsbereich bzw. Mesabereich (9) so angeordnet ist, dass er sich in einer Richtung parallel zu der der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) zugewandten Oberfläche der Substratbasis (1) teilweise über den Abstandsbereich (2a) der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) erstreckt und dass er sich teilweise über den Nicht- Abstandsbereich (2b) der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) erstreckt.the elevation region or mesa region (9) is arranged in such a way that it is parallel to that of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) facing surface of the substrate base (1) partially extends over the spacing area (2a) of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) and that it extends partially over the non-spacing area (2b) of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) ,
5. Halbleitersensorelement nach dem vorhergehenden . Anspruch,5. Semiconductor sensor element according to the previous one. Claim,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
der Übergang vom Abstandsbereich (2a) zum Nicht-the transition from the distance area (2a) to the non-
Abstandsbereich (2b) "in der Richtung parallel zu der der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) zugewandten Oberfläche der Substratbasis (1) im Bereich der Mitte des Erhebungsbereichs bzw. Me- sabereichs (9) 'erfolgt.Distance region (2b) " in the direction parallel to the surface of the substrate base (1) facing the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) in the region of the center of the elevation region or mesa region (9) ' .
6. Halbleitersensorelement nach einem der Ansprüche 3 bis 5,6. Semiconductor sensor element according to one of claims 3 to 5,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
mindestens einer der Kontakte (5) unmittelbar an und/oder im Bereich einer äußeren Kante des Erhebungsbereichs bzw. Mesabereichs (9) angeordnet ist.at least one of the contacts (5) is arranged directly on and / or in the region of an outer edge of the elevation region or mesa region (9).
7. Halbleitersensorelement nach einem der Ansprüche 3 bis 6,7. Semiconductor sensor element according to one of claims 3 to 6,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die homogene Halbleiterschicht (2, 2f) im Nicht- Mesabereich in Richtung senkrecht zu der der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) zugewandten Oberfläche der Substratbasis (1) eine Dicke von über 0.2 μm und/oder unter 50 μm, insbesondere von über 0,5 μm und/oder unter 5 μm aufweist, und/oder dass die homogene Halbleiterschicht (2, 2f) im Erhebungsbereich bzw. Mesabereich (9) die Dicke des Nicht-Mesabereichs und zusätzlich eine Dicke von über 20 nm und/oder unter 1000 nm, insbesondere von über 50 nm und/oder unter 300 nm, aufweist.the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) in the non-mesa region in the direction perpendicular to the surface of the substrate base (1) facing the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) has a thickness of more than 0.2 μm and / or less than 50 μm, in particular of more than 0.5 μm and / or less than 5 μm, and / or that the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) in the elevation area or mesa area (9) has the thickness of the non-mesa area and additionally a thickness of over 20 nm and / or below 1000 nm, in particular above 50 nm and / or below 300 nm.
8. Halbleitersensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,8. Semiconductor sensor element according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzei chnet , dasscharacterized in that
die Substratbasis (1) Silizium Si enthält oder daraus besteht.the substrate base (1) contains silicon Si or consists thereof.
9. Halbleitersensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,9. Semiconductor sensor element according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die homogene Halbleiterschicht (2, 2f) Halbleiterstrukturen auf Hauptgruppe-III-Nitridbasis in Form von AlxGaι-xN oder InxGaι-xN oder InxAlι_xN mit einem relativen Elementgehalt von 0<=x<=1.0 ent- hält oder daraus besteht.the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) semiconductor structures based on main group III nitride in the form of Al x Gaι- x N or In x Gaι- x N or In x Alι_ x N with a relative element content of 0 <= x <= 1.0 ent - holds or consists of.
10. Halbleitersensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch,10. The semiconductor sensor element according to the preceding claim,
dadurch gekennzeichnet , dasscharacterized in that
die homogene Halbleiterschicht (2, 2f) GaN ent- hält oder daraus besteht.the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) contains or consists of GaN.
11. Halbleitersensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,11. Semiconductor sensor element according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass ein durch den Abstand zwischen der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) und der Substratbasis (1) bzw. zwischen ihren sich zugewandten Oberflächen vorhandener Raumbereich nicht ausgefüllt ist, so dass die Halbleiterschicht (2, 2f) incharacterized in that a space area that is present due to the distance between the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) and the substrate base (1) or between its facing surfaces is not filled, so that the semiconductor layer (2, 2f) in
Bezug auf die Substratbasis zumindest teilweise freitragend ist .Is at least partially self-supporting with respect to the substrate base.
12. Halbleitersensorelement nach einem der Ansprüche12. Semiconductor sensor element according to one of the claims
1 bis 10',1 to 10 ' ,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
ein durch den Abstand zwischen der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) und der Substratbasis (1) bzw. zwischen ihren sich zugewandten Oberflächen vorhandener Raumbereich mit einem nicht- metallischen und nicht-halbleitenden Material zumindest teilweise ausgefüllt ist.a space area which is at least partially filled with a non-metallic and non-semiconducting material due to the distance between the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) and the substrate base (1) or between their facing surfaces.
13. Halbleitersensorelement nach dem vorhergehenden13. Semiconductor sensor element according to the previous one
Anspruch,Claim,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
mit Hilfe des Materials die Wärmetransporteigenschaften und/oder die mechanischen Eigenschaften und/oder die Hochfrequenzeigenschaften des Sensorelements verbesserbar sind.the heat transport properties and / or the mechanical properties and / or the high-frequency properties of the sensor element can be improved with the aid of the material.
14. Halbleitersensorelement nach einem der Ansprüche 12 bis 13,14. The semiconductor sensor element according to one of claims 12 to 13,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
das Material Si02 und/oder SixNy (insbesondere SiN) und/oder Diamant und/oder DLC (diamond-like carbon) und/oder silikonartige Füllmaterialien und/oder A1203 und/oder thermisch leitfähige Kunststoffe enthält oder daraus besteht.-the material Si0 2 and / or Si x N y (in particular SiN) and / or diamond and / or DLC (diamond-like carbon) and / or silicone-like filling materials and / or A1 2 0 3 and / or contains or consists of thermally conductive plastics.
15. Halbleitersensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,15. Semiconductor sensor element according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet , dasscharacterized in that
die homogene Halbleiterschicht (2, 2f) undotiert oder p-dotiert oder n-dotiert ist.the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) is undoped or p-doped or n-doped.
16. Halbleitersensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,16. Semiconductor sensor element according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzei chnet, dasscharacterized in that
die Ausdehnung der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu ihrer der Substratbasis (1) zugewandten Oberfläche über 0.2 um und/oder unter 50 μm, insbesondere über 0.5 μm. und/oder unter 5 μm, beträgt.the expansion of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) in a direction substantially perpendicular to its surface facing the substrate base (1) over 0.2 μm and / or under 50 μm, in particular over 0.5 μm . and / or less than 5 μm.
17. Halbleitersensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,17. The semiconductor sensor element according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
auf oder an der homogenen Halbleiterschicht (2,on or on the homogeneous semiconductor layer (2,
2f) auf deren substratbasisabgewandter Seite zumindest teilweise eine AlyGaι_yN oder InyGaι_yN oder InyAlι_yN mit einem relativen Elementgehalt von 0<=y<=1.0 aufweisende Deckschicht (2e) ange- ordnet ist zur Ausbildung einer Heterostruktur von Halbleiterverbindungen auf Basis von Nitriden von Hauptgruppe-III-Elementen. 2f) an Al y Gaι_ y N or In y Gaι_ y N or In y Alι_ y N with a relative element content of 0 <= y <= 1.0 is arranged on the side facing away from the substrate base to form a Heterostructure of semiconductor compounds based on nitrides of main group III elements.
18. Halbleitersensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch und nach einem der Ansprüche 3 bis 7,18. Semiconductor sensor element according to the preceding claim and according to one of claims 3 to 7,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die Deckschicht (2e) nur auf oder an dem Erhebungsbereich bzw. Mesabereich (9) angeordnet ist, nicht jedoch im Nicht-Mesabereich.the cover layer (2e) is arranged only on or on the elevation area or mesa area (9), but not in the non-mesa area.
19. Halbleitersensorelement nach einem der Ansprüche 17 oder 18,19. Semiconductor sensor element according to one of claims 17 or 18,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die Deckschicht (2e) aus AlGaN besteht, insbesondere mit 0.1<=y<=0.3, besonders bevorzugt mit 0.15<=y<=0.25.the cover layer (2e) consists of AlGaN, in particular with 0.1 <= y <= 0.3, particularly preferably with 0.15 <= y <= 0.25.
20. Halbleitersensorelement nach einem der Ansprüche 17 bis 19,20. Semiconductor sensor element according to one of claims 17 to 19,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die Deckschicht (2e) mechanisch verspannt ist und/oder dass die Ausdehnung der Deckschicht (2e) in einer Richtung im wesentlichen' senkrecht zu ihrer der Substratbasis (1) zugewandten Oberfläche im Bereich von über 5 nm und/oder unter 1000 nm, insbesondere im Bereich von über 10 nm und/oder unter 200 nm liegt.the cover layer (2e) is mechanically tensioned and / or that the extension of the cover layer (2e) in a direction essentially ' perpendicular to its surface facing the substrate base (1) in the range of over 5 nm and / or below 1000 nm, in particular in the Range is above 10 nm and / or below 200 nm.
21. Halbleitersensorelement nach einem der Ansprüche' 17 bis 2021. The semiconductor sensor element according to one of Claims' 17 to 20
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die Deckschicht (2e) undotiert oder p-dotiert oder n-dotiert ist. the cover layer (2e) is undoped or p-doped or n-doped.
22. Halbleitersensorelement nach einem der Ansprüche 17 bis 2122. The semiconductor sensor element according to one of claims 17 to 21
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
auf oder an der Deckschicht (2e) auf deren sub- stratbasisabgewandter Seite mindestens eine weitere AlzGaι_zN oder InzGaι_zN oder In2Alι_zN mit einem relativen Elementgehalt von 0<=z<=1.0 aufweisende homogenen Halbleiterschicht angeordnet ist.at least one further Al z Gaι_ z N or In z Gaι_ z N or In 2 Alι_ z N with a relative element content of 0 <= z <= 1.0 is arranged on or on the cover layer (2e) on its side facing away from the substrate base is.
23. Halbleitersensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch23. A semiconductor sensor element according to the preceding claim
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die weitere Halbleiterschicht undotiert oder p- dotiert oder n-dotiert ist.the further semiconductor layer is undoped or p-doped or n-doped.
24. Halbleitersensorelement nach Anspruch 15 oder 21 oder dem vorhergehenden Anspruch,24. The semiconductor sensor element according to claim 15 or 21 or the preceding claim,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
der Dotierstoffgehalt größer 0 Atome pro cm3 und/oder kleiner 1020 Atome pro cm3 beträgt und/oder dass der Dotierstoff Silizium Si und/oder Magnesium Mg enthält oder daraus besteht und/oder dass eine dotierte Schicht mindestens eine Volumendotierung und/oder mindestens eine Pulsdotierung aufweist.the dopant content is greater than 0 atoms per cm 3 and / or less than 10 20 atoms per cm 3 and / or that the dopant contains or consists of silicon Si and / or magnesium Mg and / or that a doped layer contains at least one volume doping and / or at least one has a pulse doping.
25. Halbleitersensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,25. Semiconductor sensor element according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die elektrischen Ableitungskontakte (5) p- und/oder n-Kontakte sind. the electrical discharge contacts (5) are p and / or n contacts.
26. Halbleitersensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch,26. A semiconductor sensor element according to the preceding claim,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
ein n-Kontakt AI und/oder Ti enthält oder daraus besteht, wobei die Dicke des Kontakts bis zucontains or consists of an n-contact AI and / or Ti, the thickness of the contact being up to
1000 nm, insbesondere bevorzugt bis zu 200 nm, beträgt.1000 nm, particularly preferably up to 200 nm.
27. Halbleitersensorelement nach Anspruch 25 oder 26,27. The semiconductor sensor element according to claim 25 or 26,
dadurch gekennzeichnet , dasscharacterized in that
ein p-Kontakt eine Schichtenfolge aufweist in der nachstehend genannten Reihenfolge: eine Au- ' Schicht, eine Ni-Schicht und eine Au-Schicht, wobei die Dicke jeder der Schichten bevorzugt bis zu 1000 nm, insbesondere bevorzugt bis zua p-type contact, a layer sequence comprising in the following order:: an Au 'film, a Ni layer and an Au layer, wherein the thickness of each of the layers preferably up to 1000 nm, particularly preferably up to
200 nm, beträgt.200 nm.
28. Halbleitersensorelement nach einem der Ansprüche 17 bis 27,28. Semiconductor sensor element according to one of claims 17 to 27,
dadurch gekennzeichnet , dasscharacterized in that
die elektrischen Ableitungskontakte (5) so angeordnet sind, dass mit ihrer Hilfe ein im Übergangsbereich zwischen. der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) und der Deckschicht (2e) entstandenes elektrisches Ausgangssignal ableitbar ist und/oder dass die elektrischen Ableitungskontakte (5) unmittelbar an der Grenzfläche zwischen der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) und der Deckschicht (2e) angeordnet sind. the electrical discharge contacts (5) are arranged in such a way that they can be used in the transition area between . electrical output signal generated can be derived from the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) and the cover layer (2e) and / or that the electrical discharge contacts (5) are arranged directly at the interface between the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) and the cover layer (2e) ,
29. Halbleitersensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,29. Semiconductor sensor element according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet , dasscharacterized in that
die elektrischen Ableitungskontakte (5) eine Metallisierung aufweisen.the electrical discharge contacts (5) have a metallization.
30. Halbleitersensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,30. Semiconductor sensor element according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die zu bestimmende physikalische Größe derthe physical quantity to be determined
Druck, die Temperatur, eine Kraft, eine Auslenkung und/oder eine Beschleunigung ist.Pressure, which is temperature, a force, a deflection and / or an acceleration.
31. Halbleitersensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,31. Semiconductor sensor element according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet , dasscharacterized in that
die Änderung der zu bestimmenden physikalischen Größe durch die homogene Halbleiterschicht (2, 2f) über eine Änderung des räumlichen Zustands, der Form, des Volumens, der Struktur einer Ober- fläche und/oder einer Auslenkung oder Auswölbung in Bezug auf die Substratbasis (1) der Halbleiterschicht (2, 2f) unmittelbar . in das elektrische Ausgangssignal umsetzbar ist.the change in the physical quantity to be determined by the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) via a change in the spatial state, the shape, the volume, the structure of a surface and / or a deflection or bulge in relation to the substrate base (1) the semiconductor layer (2, 2f) directly. is convertible into the electrical output signal.
32. Halbleitersensorelement nach einem der vorherge- henden Ansprüche,32. semiconductor sensor element according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet , dasscharacterized in that
das Ausgangssignal durch piezoelektrische Eigenschaften oder mechanische Veränderungen im Git- ter der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) generierbar ist oder eine Ladungsträgerdichteänderung an einer Oberfläche der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) oder eine andere elektrische Größe, insbesondere einen Strom, eine Spannung oder einen elektrischen Widerstand darstellt.the output signal due to piezoelectric properties or mechanical changes in the ter of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) can be generated or represents a charge carrier density change on a surface of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) or another electrical variable, in particular a current, a voltage or an electrical resistance.
33. Halbleitersensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,33. Semiconductor sensor element according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die homogene Halbleiterschicht (2, 2f) an. mindestens einem Ankerpunkt (3) so mit der Substratbasis (1) verbunden ist bzw. über mindestens eine Grenzfläche zur Substratbasis (1) so an die Substratbasis (1) angrenzt, dass zu in- dest ein Teil (2a) des nicht an dem Ankerpunktthe homogeneous semiconductor layer (2, 2f). at least one anchor point (3) is connected to the substrate base (1) or adjoins the substrate base (1) via at least one interface to the substrate base (1) in such a way that at least part (2a) of that is not at the anchor point
(3) verbundenen bzw. nicht an die Substratbasis (1) angrenzenden Teils der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) in Bezug auf die Substratbasis (1) durch eine Änderung der zu bestimmenden phy- sikalischen Größe in Bezug auf die Substratbasis(3) the part of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) connected or not adjoining the substrate base (1) with respect to the substrate base (1) by changing the physical size to be determined with respect to the substrate base
(1) unmittelbar auslenkbar ist.(1) can be deflected immediately.
34. Halbleitersensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch,34. Semiconductor sensor element according to the preceding claim,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
mindestens zwei Ankerpunkte (3) der homogenenat least two anchor points (3) of the homogeneous
Halbleiterschicht (2, 2f) eine Verbindung in Form eines in Bezug auf die Substratbasis (1) nicht auslenkbaren bzw. eine Grenzfläche zur Substratbasis (1) aufweisenden Teils (2b) der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) aufweisen. Semiconductor layer (2, 2f) have a connection in the form of a part (2b) of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) that cannot be deflected with respect to the substrate base (1) or has an interface to the substrate base (1).
35. Halbleitersensorelement nach Anspruch 33,35. Semiconductor sensor element according to claim 33,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
ein auslenkbarer Teil (2a) der homogenen Halb- leiterschicht (2, 2f) mit der Substratbasis (1) über genau einen Ankerpunkt (3) so verbunden ist, dass dieser auslenkbare Teil. (2a) ein im wesentlichen geradliniger Balken ist, wobei der Ankerpunkt (3) an einem der Enden des Balkens angeordnet ist.a deflectable part (2a) of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) is connected to the substrate base (1) via exactly one anchor point (3) so that this deflectable part. (2a) is a substantially rectilinear beam, the anchor point (3) being located at one of the ends of the beam.
36. Halbleitersensorelement nach einem der Ansprüche 33 oder 34,36. semiconductor sensor element according to one of claims 33 or 34,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
ein auslenkbarer Teil (2a) der homogenen Halb- leiterschicht (2, 2f) mit der Substratbasis (1) über zwei Ankerpunkte (3) so verbunden ist, dass dieser auslenkbare Teil (2a) ein im wesentlichen geradliniger Balken ist, wobei die beiden 7Λnker- punkte (3) an den beiden Enden des Balkens ange- ordnet sind.a deflectable part (2a) of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) is connected to the substrate base (1) via two anchor points (3) in such a way that this deflectable part (2a) is an essentially rectilinear beam, the two 7Λnker - points (3) are arranged at both ends of the bar.
37.' Halbleitersensorelement nach einem der Ansprüche 33 oder 34,37. ' semiconductor sensor element according to one of claims 33 or 34,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
ein auslenkbarer Teil (2a) der homogenen Halb- leiterschicht (2, 2f) mit der Substratbasis (1) über zwei Ankerpunkte (3) so verbunden ist, dass dieser auslenkbare Teil (2a) ein im wesentlichen U-förmiger Balken ist, wobei die beiden Ankerpunkte (3) an den beiden Enden des U bzw. des Balkens angeordnet sind. a deflectable part (2a) of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) is connected to the substrate base (1) via two anchor points (3) such that this deflectable part (2a) is an essentially U-shaped beam, the two anchor points (3) are arranged at the two ends of the U and the beam.
38. Halbleitersensorelement nach einem der Ansprüche 33 oder 34,38. semiconductor sensor element according to one of claims 33 or 34,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
ein auslenkbarer Teil (2a) der homogenen Halb- leiterschicht (2, 2f) mit der Substratbasis (1) über drei Ankerpunkte (3) so verbunden ist, dass dieser auslenkbare Teil (2a) ein im wesentlichen Y-förmiger Balken ist, wobei- die drei Ankerpunkte (3) an den drei Enden des Y bzw. des Balkens angeordnet sind.a deflectable part (2a) of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) is connected to the substrate base (1) via three anchor points (3) such that this deflectable part (2a) is an essentially Y-shaped beam, the three anchor points (3) are arranged at the three ends of the Y or the bar.
39. Halbleitersensorelement nach einem der Ansprüche 33 oder 34,39. semiconductor sensor element according to one of claims 33 or 34,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
ein auslenkbarer Teil (2a) der homogenen Halb- leiterschicht (2, 2f) mit der Substratbasis' (1) über" vier Ankerpunkte (3) so verbunden ist, dass dieser auslenkbare Teil (2a) ein im wesentlichen X- oder H-förmlger Balken ist, wobei die vier Ankerpunkte (3) an den vier Enden des X öder H bzw. des Balkens angeordnet sind.a deflectable part (2a) of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) is connected to the substrate base '(1) via " four anchor points (3) such that this deflectable part (2a) is essentially X- or H-shaped Beam is, the four anchor points (3) are arranged at the four ends of the X or H or the bar.
40. Halbleitersensorelement nach einem der Ansprüche 33 oder 34,40. semiconductor sensor element according to one of claims 33 or 34,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
ein auslenkbarer Teil (2a) der homogenen Halb- leiterschicht (2, 2f) mit der Substratbasis (1) über eine Mehrzahl von Ankerpunkten (3) so verbunden ist, dass dieser auslenkbare Teil (2a) ein im wesentlichen doppelkammförmiger Balken ist, wobei die Ankerpunkte jeweils an Enden der Kammzinken bzw. an Enden des Balkens angeordnet sind. a deflectable part (2a) of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) is connected to the substrate base (1) via a plurality of anchor points (3) in such a way that this deflectable part (2a) is an essentially double comb-shaped beam, the Anchor points are arranged at the ends of the comb teeth or at the ends of the bar.
41. Halbleitersensorelement nach einem der Ansprüche 35 bis 40,41. Semiconductor sensor element according to one of claims 35 to 40,
dadurch .gekennzeichnet , dasscharacterized by
die minimale Breite eines Balkens in einer im wesentlichen senkrecht zur Auslenkungsrichtung gegebenen Richtung über 20 μm und/oder unter 200 μm beträgt und/oder dass das arithmetische Mittel des Abstands von Ankerpunkten über 300 μm und/oder unter 5000 μm beträgt.the minimum width of a bar in a direction substantially perpendicular to the direction of deflection is above 20 μm and / or below 200 μm and / or that the arithmetic mean of the distance from anchor points is above 300 μm and / or below 5000 μm.
42. Halbleitersens.orelement nach einem der Ansprüche 33 bis 40,42. Semiconductor sensor element according to one of claims 33 to 40,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
ein auslenkbarer Teil (2a) der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) als Membran (2c) so ausge- formt ist, dass durch einen Unterschied der physikalischen Größe, insbesondere des Druckes, auf beiden Seiten der Membran (2c) diese so auswölb- bar ist, dass hierdurch in diesem auslenkbaren Teil (2a) der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) und/oder in einem mit diesem verbundenen, ina deflectable part (2a) of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) is shaped as a membrane (2c) in such a way that a difference in the physical size, in particular the pressure, on both sides of the membrane (2c) allows it to bulge out is that as a result of this in the deflectable part (2a) of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) and / or in a part connected to it
Bezug auf die Substratbasis (1) nicht auslenkbaren Teil (2b) der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) das Ausgangssignal erzeugbar ist.With respect to the substrate base (1) of the non-deflectable part (2b) of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) the output signal can be generated.
43. Halbleitersensorelement nach dem vorherigen An- spruch,43. semiconductor sensor element according to the previous claim,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die Membran (2c) im wesentlichen kreisförmig oder halbkreisförmig ist. the membrane (2c) is essentially circular or semi-circular.
44. Halbleitersensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche,44. Semiconductor sensor element according to one of the preceding claims,
gekennzeichnet durchmarked by
mindestens zwei elektrisch verbundene homogeneat least two electrically connected homogeneous
Halbleiterschichtele ente .Semiconductor layer element.
45. Halbleitersensorelement nach Anspruch 43 und 44,45. The semiconductor sensor element according to claim 43 and 44,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
mindestens zwei halbkreisförmige Membran- Halbleiterschichtelemente (2d) mit einem kreisförmigen Membran-Halbleiterschichtelement (2c) so zusammengeschaltet sind, dass ein temperaturunabhängiger Drucksensor entsteht.at least two semicircular membrane semiconductor layer elements (2d) are connected together with a circular membrane semiconductor layer element (2c) in such a way that a temperature-independent pressure sensor is produced.
46. Halbleitersensorelement nach einem der Ansprüche 33 bis 43,46. Semiconductor sensor element according to one of claims 33 to 43,
dadurch gekennzeichnet, dass an einem auslenkbaren Teil (2a) der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) ein Festkörper (4) vorzugsweise hoher Dichte so angeordnet oder fi- xiert ist, dass der Festkörper (4) durch einecharacterized in that a solid (4), preferably of high density, is arranged or fixed on a deflectable part (2a) of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) in such a way that the solid (4) is secured by a
Änderung der zu bestimmenden physikalischen Größe in Bezug auf die Substratbasis (1) unmittelbar auslenkbar ist und hierdurch in diesem aus-, lenkbaren Teil (2a) der homogenen Halbleiter- schicht (2, 2f) und/oder in einem mit diesem verbundenen, in Bezug auf die Substratbasis (1) nicht auslenkbaren Teil (2b) der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) das Ausgangssignal erzeugbar ist. Change in the physical quantity to be determined in relation to the substrate base (1) can be deflected directly and thereby in this deflectable, deflectable part (2a) of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) and / or in a part connected to it the output signal can be generated on the substrate base (1) of the non-deflectable part (2b) of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f).
47. Halbleitersensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,47. Semiconductor sensor element according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet , dasscharacterized in that
das Sensorelement und/oder die homogene Halblei- terschicht (2, 2f) als funktionelle Einheit mit integrierten elektrischen oder elektronischen Schaltungen, die Halbleiterstrukturen auf Hauptgruppe-III-Nitridbasis . aufweisen, ausgeführt ist.the sensor element and / or the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) as a functional unit with integrated electrical or electronic circuits, the semiconductor structures based on main group III nitride. have, is executed.
48. Halbleitersensorelement nach dem vorhergehenden . Anspruch,48. Semiconductor sensor element according to the previous one. Claim,
dadurch gekennzeichnet , dasscharacterized in that
die Schaltungen Diodenstrukturen und/oder Transistorelemente und/oder Temperatursensorelemente aufweisen und/oder dass die Schaltungen Kompensationsschaltungen oder Verstärkerschaltungen, insbesondere zur Signalverstärkung sind.the circuits have diode structures and / or transistor elements and / or temperature sensor elements and / or that the circuits are compensation circuits or amplifier circuits, in particular for signal amplification.
49. Halbleitersensorelement nach einem der Ansprüche 47 bis 48,49. Semiconductor sensor element according to one of claims 47 to 48,
dadurch gekennzeichnet , dasscharacterized in that
die Schaltungen Schottky-Kontakte aufweisen und/oder dass die Schaltungen als Wheatstonesche Brücke ausgeführt sind.the circuits have Schottky contacts and / or that the circuits are designed as Wheatstone bridges.
50. Messverfahren zur Bestimmung der Änderung einer physikalischen Größe,50. measurement method for determining the change in a physical quantity,
wobei eine homogene Halbleiterschicht (2, 2f) welche Halbleiterverbindungen auf Basis von Nitriden von Hauptgruppe-III-Elementen enthält oder daraus besteht auf oder an einer Substratbasis (1) so angeordnet wird, dass die der Substratbasis (1) zugewandte Oberfläche der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) zumindest teilweise nicht direkt an die Substratbasis (1) angrenzt bzw. einen Abstand zu der der homogenen Halbleiterschicht (2, 2f) zugewandten Oberfläche der Substratbasis (1) aufweista homogeneous semiconductor layer (2, 2f) which contains semiconductor compounds based on nitrides of main group III elements or consists thereof on or on a substrate base (1) is arranged such that the surface of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) facing the substrate base (1) at least partially does not directly adjoin the substrate base (1) or a distance to that of the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) Surface of the substrate base (1)
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
durch die homogene Halbleiterschicht (2, 2f) aufgrund der Änderung der zu bestimmenden physikalischen Größe ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird und dass dieses Ausgangssignal über mindestens zwei auf, an und/oder unter der homogenen Halbleiterschicht (2,2f) angeordnete oder in diese Halbleiterschicht (2,2f) integrierte elektrische Ableitungskontakte (5) abgeleitet wird.an electrical output signal is generated by the homogeneous semiconductor layer (2, 2f) due to the change in the physical quantity to be determined and that this output signal is arranged on or at or below the homogeneous semiconductor layer (2,2f) or into this semiconductor layer ( 2.2f) integrated electrical discharge contacts (5) is derived.
51. Messverfahren nach Anspruch 50,51. Measuring method according to claim 50,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
ein Halbleitersensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 49 verwendet wird.a semiconductor sensor element according to one of claims 1 to 49 is used.
52. Messverfahren nach Anspruch 50 oder 51,52. Measuring method according to claim 50 or 51,
dadurch gekennzeichnet , dasscharacterized in that
die zu bestimmende physikalische Größe der Druck, die Temperatur, eine Kraft, eine Auslenkung und/oder eine Beschleunigung ist.the physical quantity to be determined is the pressure, the temperature, a force, a deflection and / or an acceleration.
53. Halbleiterstrukturierungsverfahren zur Strukturierung einer Substratbasisschicht (1) sowie einer auf dieser Substratbasis (1) angeordneten Halbleiterschichtenfolge auf Basis von Nitriden von Hauptgruppe-III-Elementen,53. Semiconductor structuring method for structuring a substrate base layer (1) and one arranged on this substrate base (1) Semiconductor layer sequence based on nitrides of main group III elements,
wobei die Halbleiterschichtenfolge auf ihrer der Substratbasis (1) abgewandten Oberfläche auf ei- ner einer auszuätzenden Mesa entsprechendenthe semiconductor layer sequence on its surface facing away from the substrate base (1) on a mesa to be etched out
Grundfläche maskiert wird undBase area is masked and
wobei die Halbleiterschichtenfolge außerhalb dieser Grundfläche bis auf die Substratbasis (1) weggeätzt wird undwherein the semiconductor layer sequence is etched away outside of this base area down to the substrate base (1) and
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
eine mit der Substratbasis (1) verbundene, auf der der Substratbasis (1) zugewandten Grundfläche zumindest teilweise nicht direkt an die Substratbasis (1) angrenzende bzw. einen Abstand zu der ihr zugewandten Oberfläche der Substratbasisa surface connected to the substrate base (1), at least partially not directly adjacent to the substrate base (1) on the base surface facing the substrate base (1) or a distance from the surface of the substrate base facing it
(1) aufweisende homogene Halbleiterschicht (2f) der Halbleiterschichtenfolge ausgeätzt wird, indem die der ausgeätzten Mesa der Halbleiterschichtenfolge entsprechende Grundfläche mit ei- ner Ätzmaskierung so versehen wird, dass die(1) having a homogeneous semiconductor layer (2f) of the semiconductor layer sequence is etched out by providing the base area corresponding to the etched mesa of the semiconductor layer sequence with an etching mask such that the
Ätzmaskierung die Substratbasis (1) im direkt an den zu erzeugenden Abstandsbereich angrenzenden Bereich nicht abdeckt und indem die Substratbasis (1) sowohl in dem direkt an den Abstandsbe- reich angrenzenden Bereich, als auch im Abstandsbereich unterhalb der Ätzmaskierung und der homogenen Halbleiterschicht (2f) weggeätzt wird bzw. die Ätzmaskierung und die homogene Halbleiterschicht (2f) im Abstandsbereich unter- ätzt werden und dassEtching masking does not cover the substrate base (1) in the area directly adjacent to the spacing area to be produced and in that the substrate base (1) both in the area directly adjacent to the spacing area and in the spacing area below the etching masking and the homogeneous semiconductor layer (2f) is etched away or the etching mask and the homogeneous semiconductor layer (2f) are under-etched in the spacing area and that
mindestens zwei elektrische Ableitungskontakte (5) bzw. eine elektrische Kontaktschichten auf, an und/oder unter der homogenen Halbleiter- schicht (2f) angeordnet oder in diese integriert werden.at least two electrical discharge contacts (5) or one electrical contact layer on, at and / or under the homogeneous semiconductor layer (2f) arranged or integrated into this.
54. Halbleiterstrukturierungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,54. semiconductor structuring method according to the preceding claim,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
ein Halbleitersensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 49 hergestellt wird.a semiconductor sensor element according to one of claims 1 to 49 is produced.
55. Halbleiterstrukturierungsverfahren nach einem der Ansprüche 53 oder 54,55. Semiconductor structuring method according to one of claims 53 or 54,
dadurch gekennzeichnet , dasscharacterized in that
aus der Halbleiterschichtenfolge ein Erhebungsbereich bzw. Mesabereich (9) ausgeäzt wird.an elevation region or mesa region (9) is etched out of the semiconductor layer sequence.
56. Halbleiterstrukturierungsverfahren nach einem der Ansprüche 53 bis 55,56. Semiconductor structuring method according to one of claims 53 to 55,
dadurch gekennzei chnet, dasscharacterized in that
das Ätzen im Abstandsbereich und im direkt daran angrenzenden Bereich in Richtung von der Substratbasisschicht (1) zur Halbleiterschichtenfolge erfolgt.the etching takes place in the spacing area and in the area directly adjacent thereto in the direction from the substrate base layer (1) to the semiconductor layer sequence.
57. Halbleiterstrukturierungsverfahren nach einem der Ansprüche 53 bis 55,57. Semiconductor structuring method according to one of claims 53 to 55,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
das Ätzen im Abstandsbereich und im direkt daran angrenzenden Bereich in Richtung von der Halb- leiterschichtenfolge zur Substratbasisschichtthe etching in the spacing region and in the region directly adjacent to it in the direction from the semiconductor layer sequence to the substrate base layer
(1) erfolgt. (1) is done.
58." Halbleiterstrukturierungsverfahren nach einem der Ansprüche 53 bis 57,58. " Semiconductor structuring method according to one of Claims 53 to 57,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die Substratbasis (1) Silizium Si enthält oder daraus besteht.the substrate base (1) contains silicon Si or consists thereof.
59. Halbleiterstrukturierungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,59. Semiconductor structuring method according to the preceding claim,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die Oberfläche der Si-Substratbasisschicht (1) an der Grenze zur Halbleiterschichtenfolge einethe surface of the Si substrate base layer (1) at the boundary to the semiconductor layer sequence
[111] -Oberfläche ist.[111] surface is.
60. Halbleiterstrukturierungsverfahren nach einem der Ansprüche 53 bis 59,60. Semiconductor structuring method according to one of claims 53 to 59,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die Halbleiterschichtenfolge mindestens einethe semiconductor layer sequence is at least one
Halbleiterstrukturen auf Hauptgruppe-III- Nitridbasis in Form von AlxGaι-xN oder InxGaι-xN oder InxAlι-xN mit einem relativen Elementgehalt von 0<=x<=l .0 enthaltende oder daraus bestehende Halbleiterschicht aufweist.Semiconductor structures based on main group III nitride in the form of Al x Gaι- x N or In x Gaι- x N or In x Alι- x N with a relative element content of 0 <= x <= 1.0 containing or consisting of a semiconductor layer ,
61. Halbleiterstrukturierungsverfahren nach einem der Ansprüche 53 bis 60,61. Semiconductor structuring method according to one of claims 53 to 60,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
-die Halbleiterschichtenfolge aus einer- GaN ent- haltenden oder daraus bestehenden homogenenthe semiconductor layer sequence from a GaN containing or consisting of homogeneous
Halbleiterschicht (2f) besteht. Semiconductor layer (2f) exists.
2. Halbleiterstrukturierungsverfahren nach einem der Ansprüche 53 bis 61,2. Semiconductor structuring method according to one of claims 53 to 61,
dadurch gekennzeichnet , dasscharacterized in that
die Halbleiterschichtenfolge aus einer GaN enthaltenden oder daraus bestehenden homogenen Halbleiterschicht (2f) und einer auf der sub- stratbasisabgewandten Seite auf dieser Schicht (2f) angeordneten Deckschicht (2e) aus AlGaN be- steht, insbesondere, aus AlyGaι_yN mit.the semiconductor layer sequence comprising a GaN-containing or consisting of homogeneous semiconductor layer (2f) and, arranged on the sub- stratbasisabgewandten side on this layer (2f) topcoat is sawn (2e) of AlGaN in particular, of Al y Gaι_ y N with.
0.'K=y<=0.3, insbesondere bevorzugt mit 0.15<=y<=0.25.0. ' K = y <= 0.3, particularly preferably with 0.15 <= y <= 0.25.
63. Halbleiterstrukturierungsverfahren nach dem vorherigen Anspruch und nach Anspruch 55,63. Semiconductor structuring method according to the preceding claim and according to claim 55,
dadurch gekennzeichnet , dasscharacterized in that
die Halbleiterschichtenfolge so geätzt wird, dass die Deckschicht (2e) im Erhebungsbereich bzw. Mesabereich (9) verbleibt, nicht jedoch außerhalb davon.the semiconductor layer sequence is etched such that the cover layer (2e) remains in the elevation region or mesa region (9), but not outside of it.
64. Halbleiterstrukturierungsverfahren nach einem der Ansprüche 53 bis 63,64. Semiconductor structuring method according to one of claims 53 to 63,
dadurch gekennzeichnet , dass ' characterized in that '
der aufgrund des Abstands zwischen der Substratbasis (1) und der homogenen Halbleiterschicht (2f) vorhandene Raumbereich zumindest teilweise mit einem nicht-metallischen und nicht- halbleitenden Material ausgefüllt wird. the space available due to the distance between the substrate base (1) and the homogeneous semiconductor layer (2f) is at least partially filled with a non-metallic and non-semiconducting material.
65. Halbleiterstrukturierungsverfahren nach einem' der Ansprüche 53 bis 64,65. semiconductor patterning method according to any one 'of claims 53 to 64,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht der Halbleiterschichtenfolge p-dotiert oder n-dotiert wird.characterized in that at least one layer of the semiconductor layer sequence is p-doped or n-doped.
66. Halbleiterstrukturierungsverfahren nach einem der Ansprüche 53 bis 65, -66. Semiconductor structuring method according to one of claims 53 to 65, -
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die Ätzmaskierung mit einer Aluminium enthaltenden oder daraus bestehenden Maske (7) erfolgt.the etching masking is carried out with a mask (7) containing or consisting of aluminum.
67. Halbleiterstrukturierungsverfahren nach einem der Ansprüche 53 bis 66,67. Semiconductor structuring method according to one of claims 53 to 66,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
im Abstandsbereich und im direkt daran angrenzenden Bereich mit einem chemisch unterstützten Trockenätzverfahren, insbesondere mit einem reaktiven Ionenätzverfahren mit Unterstützung von Halogenen im Reaktionsgas, geätzt wird.is etched in the spacing area and in the area directly adjacent to it with a chemically supported dry etching process, in particular with a reactive ion etching process with the support of halogens in the reaction gas.
' 68. Halbleiterstrukturierungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,68. Semiconductor structuring method according to the preceding claim,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die Halogene Chlor und/oder Fluor, insbesondere in Form eines. CF4-Plasmas aufweisen.the halogens chlorine and / or fluorine, in particular in the form of a. CF 4 plasma.
69. Halbleiterstrukturierungsverfahren nach einem der Ansprüche 67 oder 68,69. Semiconductor structuring method according to one of claims 67 or 68,
dadurch gekennzeichnet, dass das Trockenätzverfahren unter Zugabe eines additiven Gases, insbesondere von Sauerstoff, durchgeführt wird.characterized in that the dry etching process is carried out with the addition of an additive gas, in particular oxygen.
70. Halbleiterstrukturierungsverfahren nach einem der Ansprüche 53 bis 69,70. Semiconductor structuring method according to one of claims 53 to 69,
dadurch gekennzei chnet, dasscharacterized in that
als elektrische Ableitungskontakte (5) bzw. elektrische Kontaktschichten Ohm- „Metallisierungen und/oder Schottky- Metallisierungen aufgebracht werden.ohmic “metallizations and / or Schottky metallizations are applied as electrical discharge contacts (5) or electrical contact layers.
71. Verwendung eines Halbleitersensorelements nach einem der Ansprüche 1 bis 49 als Druck-, Temperatur-, Beschleunigungs- und/oder Kraftsensor oder zur Bestimmung der Größe einer Auslenkung oder eines Messverfahrens nach einem der Ansprüche 50 bis 52 zur Bestimmung eines Drucks, einer Temperatur, einer Kraft, einer Auslenkung und/oder einer Beschleunigung.71. Use of a semiconductor sensor element according to one of claims 1 to 49 as a pressure, temperature, acceleration and / or force sensor or for determining the size of a deflection or a measuring method according to one of claims 50 to 52 for determining a pressure, a temperature, a force, a deflection and / or an acceleration.
72. Verwendung nach dem vorhergehenden Anspruch im Bereich der Mikromechanik oder im Bereich von72. Use according to the preceding claim in the field of micromechanics or in the range of
Hochtemperaturanwendungen oder im Automotive- Bereich. High temperature applications or in the automotive sector.
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