JP2009505045A - 半導体センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は媒体の物理的特性及び/又は化学的特性を決定する半導体センサ、詳細にはpHセンサに関する。本発明による半導体センサ(1)は感応面を有する電子要素(3)を備え、前記要素は大きいバンドギャップを有する半導体(ワイドギャップ半導体)をベースとしてその一部が構成されている。前記感応面の少なくとも一領域には、イオン感応面を有する機能層配列(4)が備わっている。前記機能層配列(4)は、少なくとも決定対象の媒体及び/又は材料若しくはイオンに対して不透過性である少なくとも一つの層を有する。
【選択図】図2
Description
a)電気的活性層3の厚さが10nmから500nmの範囲であり、わずかな容量をドープされた構造(5×1017cm−3未満の範囲において電荷キャリア濃度が活性化する):
又は、
b)半導体表面の下の電気的活性層3の容量材料中にパルスドーピングを有する構造(1013cm−2未満の範囲において電荷キャリア層濃度が活性化する)。よって、半導体表面に対する間隙は、高い感応性を達成するべく2nmから20nmとすべきである。
3 半導体材料
4 機能層
5a、5b 電機接点
6 電気絶縁材料
8 開口部
9 バッファ層
Claims (31)
- 媒体の物理的特性及び/又は化学的特性を決定する、感応面を有する電子要素(3)を備えた、詳細にはpHセンサである半導体センサ(1)であって、前記電子要素(3)の構成は、大きいバンドギャップを有する半導体(「ワイドギャップ半導体」)をベースとしており、
少なくとも機能層配列(4)を有する領域において前記感応面がイオン感応面を有し、前記イオン感応面が前記電子要素の前記感応面とは反対側にあると共に少なくとも一つの層で被覆され、前記機能層配列(4)が少なくとも決定対象の前記媒体及び/又は材料、若しくはイオンに対して不透過性であること、
を特徴とする半導体センサ。 - 前記電子要素(3)上に設けた前記機能層配列(4)の最上層が化学的耐性を有すること、を特徴とする先行する請求項に記載の半導体センサ。
- 前記電子要素(3)上に設けた前記最上層が、詳細には水酸化ナトリウム(NaOH)であるアルカリに対して耐性があると共に、詳細には硝酸(HNO3)である酸に対して耐性があること、を特徴とする先行する請求項に記載の半導体センサ。
- 前記電子要素(3)上に設けた前記最上層が次の材料、即ち酸化物、金属酸化物、酸化チタン、酸化アルミニウム、及び/又は酸化マグネシウム、金属、セラミック、窒化チタン及び/又は窒化ケイ素等の窒素をベースとした材料、ダイヤモンド及び/又はダイヤモンドライクカーボン(DLC)及び/又はそれらの混合物等の炭素含有化合物のうちの一つ以上を、全体として化学量論化合物又は非化学量論化合物で及び/又は構成比率で有する又は含むこと、
を特徴とする二つの先行する請求項のうちの一項に記載の半導体センサ。 - 前記電子要素(3)上に設けた前記最上層が酸化物層であり、以前に設けた非酸化層の表面を熱酸化した層として、及び/又は、酸化物層を電子化学的蒸着及び/又はスパッタ蒸着してその後熱酸化した層として、前記最上層を生成すること、
を特徴とする先行する請求項に記載の半導体センサ。 - 前記機能層配列(4)が、一つのタイプのイオン、又は幾つかのタイプのイオン、又は全てのタイプのイオンに対して不透過性であるイオン選択拡散障壁層を有すること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の半導体センサ。
- 前記機能層配列が、前記電子要素と前記機能層配列の更なる層との間に位置する接着層を有すること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の半導体センサ。
- 前記接着層が次の材料、即ちチタン(Ti)、アルミニウム(Al)、チタン−タングステン合金(TiW)、シリコン(Si)、及び/又はポリマのうちの一つ以上を有する又は含むこと、を特徴とする先行する請求項に記載の半導体センサ。
- 前記大きいバンドギャップを有する半導体が2eV以上のバンドギャップを有すること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の半導体センサ。
- 前記大きいバンドギャップを有する半導体が次の材料、即ちダイヤモンド、窒化ガリウム(GaN)、炭化ケイ素(SiC)等のうちの一つ以上を含有する又は含むこと、を特徴とする先行する請求項に記載の半導体センサ。
- 前記電子要素が、少なくとも一領域にドープ容量材料又は非ドープ容量材料又はヘテロ構造を含む又は含有すること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の半導体センサ。
- 前記容量材料がIII−V半導体、詳細には窒化ガリウム(GaN)であること、を特徴とする先行する請求項に記載の半導体センサ。
- 前記電子要素が、水平方向若しくは水平的に構成したものであること、又は垂直方向若しくは垂直的に構成したものであること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の半導体センサ。
- 前記電子要素が、高電子移動度トランジスタ(HEMT)、MODFET(変調ドープ電界効果トランジスタ)、金属半導体接合電界効果トランジスタ(MESFET、金属半導体FET)、δ−FET、SIT(静電誘導型トランジスタ)、又はヘテロ構造バイポーラトランジスタ(ヘテロ接合バイポーラトランジスタ、HBT)であり、前記ゲート電極を前記機能層配列の前記イオン感応面上に又は前記イオン感応面によって形成すること、
を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の半導体センサ。 - 前記電子要素が最上の半導体層を有し、前記半導体層が前記機能層の方向を向いており、次の材料、即ち窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)、又は化学式AlxGa1−xNの窒化アルミニウムガリウム、化学式InxGa1−xNの窒化インジウムガリウム(0.01≦x≦0.3)、又は窒化インジウムアルミニウムInxAl1−xN(0<x<1)のうちの一つを含むこと、
を特徴とする先行する請求項に記載の半導体センサ。 - 前記機能層配列の露出した面(8)と電気接点(5a、5b)の少なくとも一部を除いて、前記センサ(1)の表面を被包部(6)が被覆していること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の半導体センサ。
- 前記被包部(6)がエポキシ樹脂及び/又はポリイミドを有する又は含むこと、を特徴とする先行する請求項に記載の半導体センサ。
- 前記被包部(6)が少なくとも一つの電気絶縁材料、及び/又は化学的に耐性のある材料、及び/又は化学的に不活性の材料を有する又は含むこと、を特徴とする二つの先行する請求項のうちの一項に記載の半導体センサ。
- 前記電子要素(3)を基板(2)上に直接的に又は基板(2)上の中間層(9)上に配置すること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の半導体センサ。
- 前記基板(2)が次の材料、即ちシリコン(Si)、サファイア(Al2O3)、炭化ケイ素(SiC)、ダイヤモンド、イリジウム(Ir)、及び/又はそれらの組合せを含有するか、若しくは含むこと、を特徴とする先行する請求項に記載の半導体センサ。
- 前記基板(2)と前記電子要素(3)との間にバッファ中間層(9)を配置すること、を特徴とする二つの先行する請求項のうちの一項に記載の半導体センサ。
- 前記バッファ中間層(9)が次の材料、即ち窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)、ダイヤモンド、及び/又はそれらの組合せのうちの一つ以上を有する又は含有すること、
を特徴とする先行する請求項に記載の半導体センサ。 - 前記電子要素(3)が少なくとも一つの抵抗接点領域(5a、5b)を有すること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の半導体センサ。
- 少なくとも一つの電気接点(7a、7b)を前記電子要素(3)上に配置して、前記電子要素(3)からの電気信号を送出し、前記電気接点(7a、7b)のうちの少なくとも一つが、前記抵抗接点領域(5a、5b)のうちの少なくとも一つに導電的に又は半導電的に接続すること、
を特徴とする先行する請求項に記載の半導体センサ。 - 前記電子要素(3)を前記基板(2)と共にキャリア上に配置すること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の半導体センサ。
- 接着、はんだ付け、及び/又はフリップチップによって前記電子要素(3)又は前記基板(2)に前記キャリアを接続すること、を特徴とする先行する請求項に記載の半導体センサ。
- 前記電子要素(3)の信号を外部に送出するために、少なくとも一つの抵抗接点領域(5a、5b)を前記電子要素(3)に設けると共に、前記電子要素(3)の前記抵抗接点領域(5a、5b)の少なくとも一つに導電的に又は半導電的に接続する電気接点として少なくとも一つのストリップ導体(7a、7b)を前記キャリアに設けること、
を特徴とする二つの先行する請求項のうちの一項に記載の半導体センサ。 - 前記電子要素(3)及び前記機能層配列(4)を含む構造全てを、前記キャリア又は前記基板(2)上に少なくとも二層構造で配置すること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の半導体センサ。
- 前記層構造で配置した構造のうちの少なくとも二つを、前記キャリアの層面に又は前記基板(2)の層面に重ね合わせて配置すること、を特徴とする先行する請求項に記載の半導体センサ。
- 少なくとも二つの隣接した配置した構造のうちの一つの前記イオン感応面を更なる非感応層で被覆すること、を特徴とする先行する請求項に記載の半導体センサ。
- 詳細には10℃から500℃の範囲で、又は詳細には室温若しくは50℃から500℃の範囲で、又は詳細には150℃から450℃の範囲で、又は基準電極を用いて若しくは用いずに、又は対極を用いて若しくは用いずに、流体、詳細には気体若しくは液体の特性を決定するべく媒体の物理的特性及び/又は化学的特性を検出する、詳細にはpHセンサ若しくは酸素センサとしての半導体センサ(1)の使用。
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