WO2020109019A1 - Sensoranordnung beinhaltend ein nanopartikelbasiertes halbleiter-strukturelement mit einem pn-übergang - Google Patents

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    • H10D62/8271—Heterojunctions comprising only oxide semiconductor materials heterojunctions, e.g. IGZO/IZO

Definitions

  • the invention relates to a nanoparticle-based semiconductor structure element, and in particular to a sensor arrangement with a nanoparticle-based semiconductor structure element.
  • Semiconductor circuits are well known and have at least one semiconducting material and at least one p-n junction.
  • One or more such semiconductor circuits can be integrated in semiconductor structures.
  • These semiconductor structures can have one-dimensional, two-dimensional or three-dimensional shapes and can therefore also be referred to as semiconductor structure elements. These are usually used to manufacture electronic components, for example.
  • semiconductor structure elements are used today in the field of sensors. Due to the small and sometimes microscopic dimensions of semiconductor-based sensors, the signal levels that can be generated are relatively low. Therefore, such semiconductor structural elements have to be manufactured with high precision, but this is associated with high manufacturing costs.
  • the very low signal levels usually have to be amplified before the signals can be evaluated.
  • an intrinsic amplification by avalanche multiplication of electrical charge carriers is used.
  • Nanoparticles which can also be called nanoparticles, are defined by their size, which is typically between 1 and 100 nanometers.
  • the semiconductor structural element has a one-dimensional, two-dimensional or three-dimensional shape and has a large number of such nanoparticles. More precisely, the semiconductor structure element has a first nanoparticle structure with a multiplicity of first nanoparticles, and also a second nanoparticle structure with a multiplicity of second nanoparticles.
  • the nanoparticles can be loosely present within the respective nanoparticle structure or be firmly connected to one another.
  • the nanoparticle structures can, for example, be in the form of a layer, a flake body or other structures.
  • the nanoparticle structures themselves can generally have a one-dimensional, two-dimensional or three-dimensional shape.
  • the first nanoparticle structure and the second nanoparticle structure are arranged directly adjacent to one another, in such a way that at least some of the first nanoparticles and at least some of the second nanoparticles are in direct contact with one another.
  • a p-n junction with a predetermined space charge zone is formed at the respective contact points of first and second nanoparticles. Synonymous with a pn transition is of course also an np transition, which is thus also included in the sense of the present disclosure.
  • the predetermined one Space charge zone between the two nanoparticle structures requires a correspondingly predetermined conductance of the semiconductor structure element.
  • the nanoparticles within the nanoparticle structures result in the respective nanoparticle structure having a relatively large surface area-volume ratio. Accordingly, the nanoparticle structures offer a significantly larger active surface compared to conventional semiconductor structures with the same volume. Due to the increased active surface, the nanoparticle-based semiconductor structure element according to the invention has a significantly higher sensitivity compared to conventional semiconductor structures of the same size.
  • Another advantage of the nanoparticle structures is that a simple physical contact between the first and the second nanoparticle structure is already sufficient to form a pn junction at the contact point. This means that the high processing temperatures (> 600 ° C.) customary in the prior art, which are required for producing stoichiometric connections between two conventional (non-nanoparticle-based) semiconductor materials, can be avoided.
  • the present invention can also be used to connect materials that would otherwise not be combinable with one another due to incompatible manufacturing processes, or that could only be combined under difficult conditions.
  • the nanoparticle-based semiconductor structural element has a heterogeneous structure. This means that the first nanoparticles of the first nanoparticle structure and the second nanoparticles of the second nanoparticle structure each have different materials, which differ from one another in the height of the work functions for electrons and / or in the height of the respective band gap.
  • the pn junction that forms between the two nanoparticle structures is also referred to as hetero-junction. This is in contrast to a so-called homo-junction, in which adjacent structures have the same material but with different doping.
  • first nanoparticle structure and the second nanoparticle structure are each designed as a nanoparticle layer.
  • the nanoparticle layers are arranged in a layer stack, which in turn is arranged on a substrate.
  • the nanoparticle layers have a lateral (ie horizontal or parallel to the substrate) extension and are layered horizontally one above the other within the layer stack, ie the layer stack has a plurality of horizontal layers arranged one above the other in the vertical direction (relative to the substrate).
  • An electrically conductive coating for contacting the nanoparticle-based semiconductor structural element is provided between the substrate and the layer stack, ie the electrically conductive coating forms a first electrode.
  • a further electrically conductive coating is in turn on the side of the layer stack opposite the substrate Contacting of the nanoparticle-based semiconductor structural element is provided, ie the further electrically conductive coating forms a second electrode.
  • the sensor arrangement according to the invention is therefore in the form of a layer stack with a plurality of horizontal layers arranged one above the other. Due to the contacting of the first and second nanoparticle structures on both sides, a vertical current path (based on the horizontal layers in the layer stack) results through the layer stack. This offers a decisive advantage for the sensor arrangement, namely that in the case of thin layers a relatively low electrical resistance stiffens and the electrical current can thus be lifted out of a possible noise range as a useful signal.
  • the first nanoparticle structure and / or the second nanoparticle structure can have a diffusion-open (inner) structure, into which molecules can diffuse from the environment.
  • the nanoparticles can be attached to one another within the respective nanoparticle structure in such a way that a porous structure is formed. Accordingly, the entire nanoparticle structure can have a porous structure inside and outside. This in turn increases the surface-volume ratio of the active, inner surface of the respective nanoparticle structure.
  • the nanoparticle-based semiconductor structure element can be configured such that the predetermined space charge zone and thus a predetermined conductance of the nanoparticle-based semiconductor structure element changes when molecules that have diffused in accumulate on the surface of nanoparticles contained in the respective nanoparticle structure.
  • the attached molecules thus directly influence the pn transition between each other contacting nanoparticles of the first and second nanoparticle structures. That is, the space charge zone of the pn junction becomes larger or smaller. This accordingly leads to a change in the conductance of the semiconductor structure element, ie the conductance also becomes larger or smaller.
  • nanoparticle structures Due to the large surface-to-volume ratio of the nanoparticle structures, a relatively large number of molecules (compared to conventional, non-nanoparticle-based semiconductor structures) can attach to the active surface. The more molecules that accumulate on the active surface, the greater the change in the conductance. This can be used advantageously for electrochemical sensors.
  • the semiconductor structure element can have or be connected to an evaluation circuit, the first and / or the second nanoparticle structure providing an electrochemical sensor structure, molecules of an analyte diffusing into this electrochemical sensor structure and being located on the surface thereof Nanoparticles can accumulate in order to change the predetermined space charge zone and thus a predetermined conductivity of the nanoparticle-based semiconductor structure element, and the evaluation device is designed to determine the analyte based on the change in the conductivity.
  • an electrochemical sensor can therefore be realized by means of the semiconductor structural element according to the invention.
  • the first and / or second nanoparticle structure can provide an electrochemical sensor layer on which molecules of an analyte can accumulate.
  • analyte Depending on the type of analyte, a different conductance arises, based on which the analyte can be determined. Since a relatively large number of molecules can accumulate on the active surface due to the porous structure of the nanoparticle structures, different types of analytes can also be determined and distinguished from one another with high accuracy or sensitivity.
  • the nanoparticle-based semiconductor structural element can be designed to generate a signal with intrinsically non-linear amplification.
  • the semiconductor structural element according to the invention does not require any extrinsic signal amplification in comparison to conventional semiconductors which are not based on nanoparticles.
  • the large number of pn junctions that form on the individual nanoparticles can ensure that there is a non-linear signal amplification.
  • a self-amplifying signal amplification effect can occur, comparable to the avalanche effect in photodiodes.
  • the first nanoparticles of the first nanoparticle structure and the second nanoparticles of the second nanoparticle structure can each have different materials which differ from one another in the height of the work functions for electrons and / or in the height of the respective band gap.
  • the semiconductor structure element has a heterogeneous structure, wherein the first nanoparticles of the first nanoparticle structure and the second nanoparticles of the second nanoparticle structure can have different materials.
  • These different materials are preferably different semiconductor materials, so that electronic transitions with pn or np characteristics occur at the contact points between the nanoparticles of different materials.
  • first nanoparticles of the first nanoparticle structure and the second nanoparticles of the second nanoparticle structure can each have different materials from main chemical group VI, which are also known as
  • Chalcogens are called. These include oxygen (O), sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te), as well as polonium (Po) and livermorium (Lv).
  • the first nanoparticles of the first nanoparticle structure and the second nanoparticles of the second nanoparticle structure can each have different material connections, each with at least one element from main chemical group VI and at least one transition metal, these material connections also being called chalcogenides and the electrical conductivity of semiconductors exhibit.
  • Chalcogenides are chemical compounds of one or more chalcogen elements (especially oxygen, sulfur, selenium and tellurium) as formal anions with metals or more electropositive elements (arsenic, germanium, phosphorus, antimony, lead, boron, aluminum, gallium, indium, titanium , Sodium) as formal cations.
  • transition metals are preferably used as reactants with the chalcogen elements, since these have an electron configuration, so that a semi-conductive property of the material connection is established.
  • the chemical elements with the atomic numbers from 21 to 30, 39 to 48, 57 to 80 and 89 to 1 12 are usually referred to as transition elements. Since these elements are all metals, the term transition metals is also used.
  • the first nanoparticles of the first nanoparticle structure and / or the second nanoparticles of the second nanoparticle structure can have an oxidic material compound composed of oxygen and a transition metal.
  • a chalcogenide compound with oxygen is advantageous compared to chalcogenide compounds with selenium or tellurium for some applications, since the latter chalcogenide compounds are toxic.
  • the first nanoparticles can be the first
  • Nanoparticle structure and / or the second nanoparticles of the second nanoparticle structure have at least one oxidic material compound from the group of ZnO, Ti0 2 , M0O 3 , WO 3 and Fe 2 03.
  • the first nanoparticles of the first nanoparticle structure and / or the second nanoparticles of the second nanoparticle structure can have a sulfidic material compound composed of sulfur and a transition metal.
  • a chalcogenide compound with sulfur is advantageous compared to chalcogenide compounds with selenium or tellurium for some applications, since the latter chalcogenide compounds are toxic.
  • the first nanoparticles of the first nanoparticle structure and / or the second nanoparticles of the second nanoparticle structure can have at least one sulfidic material compound from the group consisting of M0S 2 , WS 2 and FeS 2 (iron disulfide, pyrite).
  • the first nanoparticles of the first nanoparticle structure can have a material from the main chemical group III
  • the second nanoparticles of the second nanoparticle structure can have a material from the main chemical group V.
  • the first nanoparticles of the first nanoparticle structure can have a material from the main chemical group V and for the second nanoparticles of the second nanoparticle structure to have a material from the main chemical group III.
  • the first nanoparticles of the first nanoparticle structure and the second nanoparticles of the second nanoparticle structure could, for example, have the same material, but with a different doping.
  • the semiconductor structural element could have a homogeneous structure, for example, the first nanoparticles of the first nanoparticle structure and the second nanoparticles of the second nanoparticle structure being able to have the same materials, these materials preferably being the same semiconductor materials.
  • These could have a different doping, for example, so that there is between the contact points the nanoparticles with different doping form pn junctions.
  • the first nanoparticles of the first nanoparticle structure and the second nanoparticles of the second nanoparticle structure could each have the same material, for example, which contains an element of main chemical group IV.
  • These include carbon (C), silicon (Si) or germanium (Ge).
  • the first nanoparticle structure and the second nanoparticle structure are each designed as a nanoparticle layer, these nanoparticle layers being arranged one above the other in a layer stack.
  • This offers a simple way of contacting the individual nanoparticle structures with one another.
  • the creation of layer stacks with layers containing nanoparticles can also be adopted from conventional methods for producing conventional, non-nanoparticle-based, semiconductor structures. This offers a cost-effective adaptation of existing technology, applied to another technical area.
  • the semiconductor structural element can have a third nanoparticle layer with a multiplicity of third nanoparticles, the second nanoparticle layer being arranged between the first and the third nanoparticle layer, and with a second pn- at the respective contact points of second and third nanoparticles. Transition forms with a predetermined space charge zone. In the case of this second p-n transition, it also applies that this naturally also includes an n-p transition.
  • a layer stack is thus provided which has three nanoparticle structures in the form of three nanoparticle layers stacked on top of one another. It may be conceivable that the second and third nanoparticle structures have a homogeneous or a heterogeneous structure, as was described above with reference to the first and second nanoparticle structures.
  • the first and the third nanoparticle structure can have the same material or different materials, wherein the material of the third nanoparticle structure is preferably a semiconductor material.
  • At least one of the first, second and third nanoparticle layers can be exposed by means of appropriate structuring, $ o- that molecules located in the environment can attach to the respectively exposed nanoparticle layer.
  • exposed means that the each nanoparticle layer has a structure, for example a hole, a trench, etc., this structure having lateral side walls which can be brought into contact with the surroundings. This enables lateral diffusion of molecules in the environment through these lateral sidewalls. This means that multi-sided diffusion is made possible. In comparison, no lateral diffusion is possible without such a structuring, but only a diffusion from one side (eg an unstructured upper side).
  • the nanoparticle-based semiconductor structural element can form a diode structure with a p-n junction, or a transistor structure with two p-n junctions, or a thyristor structure with three p-n junctions.
  • the nanoparticle-based semiconductor structure element can be an electrochemical sensor structure, the first nanoparticle structure and the directly adjacent second nanoparticle structure together forming a sensor layer.
  • FIGS. 2A, 2B a schematic sketch for explaining a nanoparticle-based p-n transition
  • Figs. 3A, 3B a further schematic sketch to explain a further nanoparticle-based p-n junction
  • Figs. 4A-4C is a schematic sketch for explaining different electronic
  • 5A shows a sensor arrangement with a semiconductor structure element having a layer stack with three nanoparticle structures according to an exemplary embodiment
  • 5B shows a schematic view of a nanoparticle-based semiconductor structure element with three nanoparticle structures according to one exemplary embodiment
  • Figs. 6A-6D are schematic top and sectional views of an inventive device
  • FIG. 7 shows a schematic block diagram for categorizing different nanoparticle-based semiconductor structural elements.
  • an electrochemical sensor is described as a non-limiting example for a sensor arrangement according to the invention with a semiconductor structure element.
  • the sensor arrangement according to the invention is not limited to such an electrochemical sensor system, which is only mentioned by way of example.
  • FIG. 1 shows a nanoparticle-based semiconductor structure element 10 for use in a sensor arrangement according to the invention.
  • the nanoparticle-based semiconductor structure element 10 has a first nanoparticle structure 11 with a multiplicity of first nanoparticles 11 1 , 11 2 , 11 3 .
  • the nanoparticle-based semiconductor structural element 10 also has a second nanoparticle structure 12 with a multiplicity of second nanoparticles 12i, 12 2 , 12 3 .
  • the first nanoparticle structure 11 and the second nanoparticle structure 12 are designed as single-layer two-dimensional structures which are roughly comparable with single-layer layers.
  • the nanoparticle structures 11, 12 are not limited to two-dimensional geometric shapes.
  • the nanoparticle structures 11, 12 can also have one-dimensional and three-dimensional geometric shapes, for example in the form of cubes, cuboids, nanotubes and the like.
  • the nanoparticle structures 11, 12 can have different geometric shapes, or else each have the same geometric shape as shown in FIG. 1.
  • the first nanoparticle structure 11 and the second nanoparticle structure 12 are arranged directly adjacent to one another, so that at least some of the first nanoparticle structures 11,
  • a pn junction with a predetermined space charge zone is formed at the respective contact points of first and second nanoparticles 111, 1 12, 113, 12i, 12 Zl 12 3 . More specifically may be located at each point of contact, at which a first nanoparticles 1 11 '112 1 1 3, a second nanoparticle 12i, 12 2, 12 3 physically contacts each form a pn junction.
  • FIGS. 2A and 2B An n-doped T1O2 nanoparticle and an n-doped Fe 2 0 3 nanoparticle can be seen, the nanoparticles in FIG. 2A being separated from one another, and the nanoparticles in FIG. 2B touching one another.
  • the energy bands are drawn above each of them, ie the valence band E v , the conduction band Ec above and the Fermi level EF arranged between them.
  • the Ti0 2 nanoparticle has a higher conduction band Ec than the Fe 2 03 nanoparticle, which results in a larger band gap E G in the Ti0 2 nanoparticle compared to the Fe 2 0 3 nanoparticle.
  • the Fermi level E F is higher for Ti0 2 nanoparticles than for Fe 2 0 3 nanoparticles.
  • the contact of the two nanoparticles leads to drifting or diffusion of charge carriers, as a result of which the Fermini levels EF of the two nanoparticles align. This leads to a p-n transition with a predetermined space charge zone.
  • the conduction bands Ec there is a sudden transition.
  • a diode characteristic results when the two nanoparticles come into contact with one another.
  • the jump in the conduction band Ec shown in FIG. 2B can, with suitable polarity, lead to a tunnel effect, which can further intensify the diode characteristic, which is non-linear anyway.
  • FIGS. 3A and 3B show a further example of this type, an n-doped TiO 2 nanoparticle and a p-doped WS 2 nanoparticle making contact with one another.
  • the diffusion or drift of the charge carriers align the Fermi levels EF of the respective nanoparticles with one another.
  • FIGS. 4A, 4B and 4C show, by way of example only, which component characteristics can be realized in this way with the semiconductor structural element 10 according to the invention.
  • FIG. 4A shows a pn junction just described between a T1O2 and a WS2 nanoparticle, which leads to a diode characteristic.
  • FIG. 4A shows a pn junction just described between a T1O2 and a WS2 nanoparticle, which leads to a diode characteristic.
  • FIG. 4A shows a pn junction just described between a T1O2 and a
  • FIG. 4B shows two pn junctions at the respective contact points from two T1O2 nanoparticles to a WS 2 nanoparticle arranged between them. This leads to a transistor characteristic of an npn transistor.
  • FIG. 4B shows two pn junctions at the respective contact points from two WS2 nanoparticles to a T1O2 nanoparticle arranged between them. This leads to a transistor characteristic of a pnp transistor.
  • This predetermined space charge zone means that the semiconductor structure element 10 according to the invention has a predetermined conductance.
  • the predetermined space charge zone and thus the predetermined conductivity of the semiconductor structure element 10 are shifted.
  • nanoparticle structures 11, 12 Due to the structure of the nanoparticle structures 11, 12, they have a diffusion-open outer and inner structure, so that the aforementioned molecules can diffuse from the environment into the respective nanoparticle structure 11, 12.
  • the nanoparticle-based semiconductor structure element 10 is designed such that the predetermined space charge zone and thus the predetermined conductivity of the nanoparticle-based semiconductor structure element 10 change when molecules diffused into the surface of nanoparticles 11 contained in the respective nanoparticle structure 11, 12 Add 1, Ü 2, I I3, 1 2i, 1 2 2 , 1 2 3 .
  • the predetermined space charge zone and thus the predetermined conductance of the semiconductor structure element 10 change to different degrees.
  • This in turn is a characteristic indicator for the respective substance of the attached molecule, so that this substance can be determined as an analyte. This can be carried out with a corresponding evaluation device.
  • the nanoparticle-based semiconductor structure element 10 can have an evaluation device, or at least can be connected to such an evaluation device, the first and / or the second nanoparticle structure 11, 12 (together or in each case individually) providing an electrochemical sensor structure , where molecules of an analyte diffuse into this electrochemical sensor structure and can accumulate on the surface of nanoparticles 11, 112, 113, 12i, 122, 12s therein, around the predetermined space charge zone and thus the predetermined conductivity of the nanoparticle-based semiconductor structural element 10 to change.
  • the evaluation device can accordingly be designed to determine the analyte based on the change in the conductance.
  • a corresponding signal is generated by the semiconductor structure element 10 based on the respective analyte.
  • An advantage of the nanoparticle-based semiconductor structure element 10 according to the invention is that it can be designed in such a way that it generates a signal with intrinsically non-linear amplification.
  • FIG. 5A shows an exemplary embodiment of a sensor arrangement 60 according to the invention with a semiconductor structure element 10, which can be used, for example, as an electrochemical sensor arrangement 60.
  • the semiconductor structure element 10 has a layer stack 50 which has a first, a second and a third nanoparticle layer 11, 12, 13.
  • the semiconductor structure element 10 has a first nanoparticle structure 11 with a multiplicity of first nanoparticles (111, H2,
  • the second nanoparticle structure 12 is arranged between the first and the second nanoparticle structure 11, 13.
  • the respective nanoparticle structures 11, 12, 13 are shown here purely by way of example as layers with a plurality of nanoparticles, which together form a nanoparticle layer stack 50.
  • An embodiment as a layer stack is of course also conceivable with two or more than the three nanoparticle layers shown.
  • a pn junction can in each case form between the individual nanoparticles of the respective nanoparticle structures (or nanoparticle layers) 11, 12, 13.
  • the semiconductor structure element 10 shown in FIG. 5A can optionally have further elements or layers.
  • a substrate 51 can be provided on which the aforementioned nanoparticle structure layer stack 50 can be arranged.
  • the substrate 51 can, for example, be a transparent substrate and can have, for example, one or more constituents from the group of glass, quartz, polymer or silicon.
  • an electrically conductive coating 52 can optionally be provided between the substrate 51 and the layer stack 50. This can serve, for example, for contacting the semiconductor structure element 10.
  • the electrically conductive coating 52 can comprise, for example, one or more constituents from the group consisting of indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO) and metal.
  • ITO indium tin oxide
  • FTO fluorine-doped tin oxide
  • metal metal.
  • the electrically conductive coating 52 can also be transparent.
  • a further electrically conductive coating 56 can optionally be provided. This can be arranged, for example, on the side of the layer stack 50 opposite the substrate 51 and can be used for contacting the semiconductor structure element 10.
  • the further electrically conductive coating 56 can, for example, have one or more constituents from the group consisting of indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO) and metal.
  • the further electrically conductive coating 52 can also be transparent.
  • the layer stack 50 itself can have a transistor characteristic, as described above.
  • the second nanoparticle layer 12 lying in the middle can serve as an electrical basis.
  • the first nanoparticle layer 11 and the third nanoparticle layer 13 can each serve either as an electrical source or drain (or vice versa).
  • FIG. 6A shows a plan view of the semiconductor structure element 10 from FIG. 5A.
  • the electrically conductive layers 52, 56 can be seen, each of which provides a contact area 57, 58 for electrically contacting the semiconductor structure element 10, and in particular the electrical drain or source.
  • the further or upper, electrically conductive coating 56 is porous, molecules located in the environment can diffuse through this porous coating 56 and reach the third nanoparticle structure 13 underneath in order to accumulate there on the surface of the nanoparticles contained therein .
  • the further electrically conductive coating 56 can also be designed, for example, as a porous nanoparticle structure. Designs including metal nanoparticles, ITO nanoparticles or FTO nanoparticles would be conceivable.
  • the further or upper, electrically conductive coating 56 should not be porous, then molecules in the vicinity cannot diffuse through this porous coating 56, or only with difficulty. For this reason, exemplary embodiments provide for structuring the semiconductor structure element 10 accordingly. This can be done, for example, using processes established in semiconductor technology, such as, for example, lithography.
  • FIGS. 6A to 6D all show top views of a semiconductor structure element 10, as was described above by way of example with reference to FIG. 5A, and sectional views along the respective section lines A-A, B-B, C-C, D-D.
  • the further or upper, electrically conductive layer 56 has been structured.
  • square cutouts were structured in the electrically conductive layer 56 as an example. These cutouts make it possible for molecules located in the environment to reach the third nanoparticle structure 13 in order to accumulate there on the surface of the respective nanoparticles.
  • the third nanoparticle structure 13 underneath has also been structured.
  • square cutouts were structured in the electrically conductive layer 56 and in the third nanoparticle structure 13. These cutouts make it possible for molecules located in the environment to reach the third nanoparticle structure 13 and also the second nanoparticle structure 12 underneath, in order to accumulate there on the surface of the respective nanoparticles.
  • the second nanoparticle structure 12 has also been structured.
  • square cutouts were structured in the electrically conductive layer 56 and in the second and third nanoparticle structures 12, 13. These cutouts make it possible for molecules in the environment to reach the third nanoparticle structure 13, the second nanoparticle structure 12 underneath, and also the first nanoparticle structure 11, which is located underneath, in order to accumulate there on the surface of the respective nanoparticles.
  • An advantage of the exemplary embodiments shown in FIGS. 6C and 6D is that the molecules can also diffuse into the respective nanoparticle structure 11, 12, 13 along lateral side walls 61. These lateral side walls result from the process of structuring and extend, so to speak, in a direction perpendicular to the substrate plane, ie vertically upwards from the substrate 51 or away from the substrate 51.
  • the exemplary embodiments just described therefore all provide that at least one of the first, second and third nanoparticle layers 11, 12, 13 is exposed by means of appropriate structuring, so that molecules located in the environment can attach to the respectively exposed nanoparticle layer 11, 12, 13.
  • this applies not only to nanoparticle layers, but generally also to any nanoparticle structures within the meaning of the present disclosure, i.e. regardless of their geometrical shape and design.
  • the nanoparticle-based semiconductor structure element 10 can have different nanoparticle structures 11, 12, 13, which can be subdivided according to their respective phenotype.
  • the nanoparticle structures 11, 12, 13 are conceivable.
  • 3D particles, 2D flakes, 1 D nanotubes, but also other shapes may be possible.
  • spherical nanoparticles are coated with a coating so that a pn junction is formed between the nanoparticle and the coating.
  • This could be achieved, for example, by oxidizing WS 2 flakes, so that WO3 is formed.
  • the W0 3 could then in turn be used as a coating for spherical Ti0 2 nanoparticles.
  • a large number of spherical T ⁇ O2 nanoparticles would form a first nanoparticle structure, and the WC> 3 coating would form a second nanoparticle structure, a pn junction being formed at the contact points.
  • the semiconductor structural elements 10 described herein can further be distinguished with regard to the structure of the respective nanoparticle structures 11, 12, 13.
  • a distinction can be made between a homogeneous structure and a heterogeneous structure of the nanoparticle structures.
  • the at least two nanoparticle structures 11, 12 have the same materials, but with different doping.
  • the at least two nanoparticle structures 11, 12 have different materials which differ from one another in the height of the work functions for electrons and / or in the height of the respective band gap
  • the heterogeneous structure of the invention is to be discussed.
  • the first nanoparticles 111, 112, H 3 of the first nanoparticle structure 11 and the second nanoparticles 12i, 12 2 , 123 of the second nanoparticle structure 12 can each have different materials from the main chemical group VI, which are also referred to as chalcogens, exhibit. These include oxygen (O), sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te), as well as polonium (Po) and livermorium (Lv).
  • the first nanoparticle structure 11, a plurality of nanoparticles 11 - having 1, 11 2, 113 have at least a first chalcogen Eiement.
  • the second nanoparticle structure 12 could have a multiplicity of nanoparticles 12i, 122, 123 which have at least one second chalcogen element different from the first chalcogen element. .
  • Chalcogens can form compounds with other elements. These compounds are also called chalcogenides. For example, transition metals can be bound to chalcogen elements. These chalcogenides have semiconductor properties.
  • the first nanoparticles 111, 112, 113 of the first nanoparticle structure 11 and the second nanoparticles 12i, 12 2 , 123 of the second nanoparticle structure 12 can each have different material compounds, each with at least one element from main chemical group VI and at least one transition metal .
  • Chalcogenides in turn, can be divided into oxides, sulfides, selenides and tellurides and, depending on the binding partner, form gaseous (such as carbon dioxide) or mostly solid substances.
  • the first nanoparticles 11, 112, 113 of the first nanoparticle structure 11 and the second nanoparticles 12i, 12 2 , 123 of the second nanoparticle structure 12 could each have different material compounds, each with an oxidic material compound composed of oxygen and a transition metal.
  • the heterogeneous structure mentioned at the outset provides that the first and the second nanoparticle structure 11, 12 can each have different oxidic chalcogenides.
  • the first and the second nanoparticle structure 11, 12 could each have different oxidic chalcogenides from the group of ZnO, " PO2,
  • the first nanoparticles 111, 11 2 , 113 of the first nanoparticle structure 11 and / or the second nanoparticles 12i, 12 2 , 12 3 of the second nanoparticle structure 12 could have a sulfidic material compound of sulfur and a transition metal.
  • Both sulfidic chalcogenide compounds with sulfur and oxidic chalcogenide compounds with oxygen are advantageous compared to chalcogenide compounds with selenium or tellurium for some applications, since the latter chalcogenide compounds are toxic.
  • the first and second nanoparticle structures 11, 12 can be configured as an III-V compound semiconductor.
  • the first nanoparticles 11 i, 112, H3 of the first nanoparticle structure 11 could have a material from the main chemical group III
  • the second nanoparticles 12i, 12 2 , 12 3 of the second nanoparticle structure 12 could have a material from the main chemical group V, or the other way around. This would also correspond to a heterogeneous structure.
  • first nanoparticles 1 11, 1 1 2 , H3 of the first nanoparticle structure 11 and the second nanoparticles 12i, 12 2 , 12 3 of the second nanoparticle structure 12 each have the same material, however with a different doping. This is shown in the lower branch of Figure 7.
  • the first nanoparticles 111, 11 2 For example, with a homogeneous structure, the first nanoparticles 111, 11 2 ,
  • first nanoparticle structure 11 and the second nanoparticles 12i, 12 2 , 12 3 of the second nanoparticle structure 12 each have the same material that a Contains element of main chemical group IV. These include carbon (C), silicon (Si) or germanium (Ge). In principle, there could be different ones
  • Doping can be provided by dopants.
  • Nanoparticle structures are to be realized which are characterized by the generation of intrinsically non-linearly amplified electrical signals as soon as the corresponding molecules are attached to the surface of the nanoparticles (NP).
  • the non-linear amplification should make it possible to achieve a signal even when the concentration of the molecules is very low, although there is no need to be proportional to the concentration.
  • a signal cascade should start and end in a defined maximum signal peak. This would be advantageously used in sensor technology. With this characteristic, the structures would also be able to simulate the behavior of biological nerve cells.
  • the invention relates inter alia to the construction of three-dimensional nanoparticle structures, for example using nanoparticles according to the overview shown in FIG. 7.
  • a distinction can therefore be made, for example, into: a) Heterogeneous elements: different semiconductor materials, for example from the chalcogenide compound group (including the oxidic compounds) or, for example, the Ill-V compound semiconductor.
  • the semiconducting materials differ in the height of the work functions for electrons and the height of the band gaps. Without influencing the basic material doping, electronic transitions with pn or np characteristics are obtained in the contact area of the nanoparticles. This is the basis for electronic components such as diodes and transistors.
  • FIG. 5A One form of realization are horizontally layered nanoparticles with pn junctions in the contact area of the different materials (FIG. 5A).
  • a diode characteristic is achieved with two layers. However, more than two layers can also be layered. With triple layering, a transistor structure is possible (npn, pnp).
  • Quadruple stratification basically provides the structure of thyristors.
  • Chalcogenides are the compounds of transition metals with Group VI elements (O, S, Se, Te).
  • Compounds which can be envisaged for this invention are, for example: Ti0 2 , W0 3 , Mo0 3 , ZnO, Fe 2 0 3 , WS 2 , MoS 2 . These connections have the electrical conductivity of semiconductors.
  • An Ill-V compound semiconductor is a combination of materials from main chemical group III (earth metals / boron group) and V (nitrogen-phosphorus group), the combination of which also has the electrical conductivity of semiconductors.
  • the space charge zone extends over / through the entire nanoparticle and is not limited to the edge zones of the particles
  • Exemplary embodiments a) Horizontally layered nanoparticles with pn junctions in the contact plane b) Combination of only oxidic materials in order to be able to use baking processes in an oxygen-containing atmosphere
  • FIGS. 6A to 6D differently structured designs are possible in order to enable molecules to access the corresponding pn junctions: FIG. 6A. Unstructured areas in the sensor area; Contact (58) should be porous
  • FIG. 6B Structured contacting (58) on closed layers 13, 14, 15;
  • FIG. 6C Structuring top electrode (56) and structured top semiconductor layer
  • the invention creates self-organized pn junctions with direct contact to the media to be examined. This enables an inexpensive construction with high sensitivity, as well as a large active, inner surface by using nanoparticles. In addition, a large-scale construction on any substrates is possible. Furthermore, the generally high processing temperatures (600 ° C) can be used for stoichiometric compounds. A simple combination of generally incompatible connections due to incompatible manufacturing processes (e.g. oxidic source / drain layers with a sulfidic base made of e.g. M0S2 placed in between) is possible.
  • Important applications can include: a) sensors for sensitive detection of contaminants in air and water; Checking compliance with limit values. b) basic element of a neuromorphic circuit. A permanent change in the pn junction can be brought about by enrichment or depletion of molecules. The electrochemical reaction required for this is controlled by applying a voltage.
  • Another exemplary implementation can include provide:
  • chalcogenide semiconductor nanoparticles e.g. W0 3 , Ti0 2l ZnO, WS 2 , MoS 2 , Fe 2 0 3 .
  • a nanoparticle-based semiconductor structural element (10) comprising: a first nanoparticle structure (11) with a large number of first nanoparticles (111, 11 2 , 11 3 ), a second nanoparticle structure (12) with a large number of second ones Nanoparticles (12i, 12 2 , 12 3 ), the first nanoparticle structure (11) and the second nanoparticle structure (12) being arranged directly adjacent to one another, so that at least some of the first nanoparticles (11 i, 1 1 2 , 11 3 ) and at least some of the second nanoparticles (12i, 12 2 , 12 3 ) are in direct contact with one another, and a pn junction with a predetermined one occurring at the respective contact points of first and second nanoparticles (111, 112, 113, 12i, 12 2 , 12 3 )
  • the first nanoparticle structure (11) and / or the second nanoparticle structure (12) can have a diffusion-open structure, in which molecules can diffuse from the environment.
  • the nanoparticle-based semiconductor structural element (10) can be designed such that the predetermined space charge zone and thus a predetermined conductance of the nanoparticle-based semiconductor structural element (10) changes when diffusion occurs Attach molecules to the surface of nanoparticles (11 i, 11 2 , 113, 12i, 12 2 , 12 3 ) contained in the respective nanoparticle structure (11, 12).
  • the semiconductor structure element (10) can furthermore have an evaluation device, the first and / or the second nanoparticle structure (11, 12) providing an electrochemical sensor structure, wherein Molecules of an analyte can diffuse into this electrochemical sensor structure and attach to the surface of the nanoparticles (11 1 , 11 2 , 113, 12i, 12 2 , 12 3 ) located in them in order to reach the predetermined space charge zone and thus a predetermined conductivity of the nanoparticle-based semiconductor Structural element (10) to change, and wherein the evaluation device is designed to determine the analyte based on the change in the conductance.
  • the nanoparticle-based semiconductor structure element (10) can be designed to generate a signal with intrinsically non-linear amplification.
  • the first nanoparticles (11 i, 112, 113) of the first nanoparticle structure (1 1) and the second nanoparticles (12i, 12 2 , 12 3 ) of the second nanoparticle structure (12) each have different materials from main chemical group VI, which are also referred to as chalcogens.
  • first nanoparticle structure (11) and the second nanoparticles (12i, 1 22, 12 3 ) of the second nanoparticle structure (12) each have different material connections, each with at least one element from main chemical group VI and at least one transition metal, these material connections are also called chalcogenides and have the electrical conductivity of semiconductors.
  • the first nanoparticles (111, H2, 113) of the first nanoparticle structure (11) and / or the second nanoparticles (12i, 122, 12s) of the second nanoparticle structure (12) have an oxidic material combination of oxygen and a transition metal.
  • the first nanoparticles (111, 112, 11) of the first nanoparticle structure (1 1) and / or the second nanoparticles (12i, 12a, 12 3 ) of the second Nanoparticle structure (12) have a sulfidic material compound of sulfur and a transition metal.
  • first nanoparticle structure (1 1) have a material from the main chemical group III
  • second nanoparticles (12i, 12 2 , 12 3 ) of the second nanoparticle structure (12) have a material from the main chemical group V.
  • the first nanoparticle structure (11) and the second nanoparticles (12i, 122, 12 3 ) the second nanoparticle structure (12) each have the same material, but with a different doping.
  • the same material can contain an element from main chemical group IV.
  • the first nanoparticle structure (11) and the second nanoparticle structure (12) can each be designed as a nanoparticle layer, these nanoparticle layers being arranged one above the other in a layer stack (50) .
  • the semiconductor structure element (10) can also have a third nanoparticle layer (13) with a multiplicity of third nanoparticles (13i, 13 2 ,
  • the second nanoparticle layer (12) being arranged between the first and the third nanoparticle layer (11, 13), and wherein the respective contact points of second and third nanoparticles (12i, 12 2 , 12s, 13i, 13 2 , 13 3 ) forms a second pn junction with a predetermined space charge zone.
  • At least one of the first, second and third nanoparticle layers (11, 12, 13) can be exposed by means of appropriate structuring, so that molecules located in the environment adhere to the respectively exposed one Nanoparticle layer (11, 12, 13) can attach.
  • the nanoparticle-based semiconductor structural element (10) can be a diode structure with one pn junction, or a transistor structure with two pn junctions, or a thyristor structure with three form pn junctions.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (60) mit einem nanopartikelbasierten Halbleiter-Strukturelement (10) mit einer ersten Nanopartikelstruktur (11) mit einer Vielzahl von ersten Nanopartikeln (11 1, 11 2, 11 3 ) und einer zweiten Nanopartikelstruktur (12) mit einer Vielzahl von zweiten Nanopartikeln (12 1, 12 2, 12 3 ). Die erste Nanopartikelstruktur (11) und die zweite Nanopartikelstruktur (12) sind direkt aneinander angrenzend angeordnet, sodass zumindest ein Teil der ersten Nanopartikel (11 1, 11 2, 11 3 ) und zumindest ein Teil der zweiten Nanopartikel (12 1, 12 2 , 12 s ) in direktem Kontakt miteinander sind, wobei sich an den jeweiligen Kontaktpunkten von ersten und zweiten Nanopartikeln (11 1, 11 2, 11 3, 12 i, 12 2, 12s) ein p-n-Übergang mit einer vorbestimmten Raumladungszone ausbildet.

Description

SENSORANORDNUNG BEINHALTEND EIN NANOPARTIKELBASIERTES
HALBLEITER-STRUKTURELEMENT MIT EINEM PN-ÜBERGAN
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein nanopartikelbasiertes Halbleiter-Strukturelement, und insbesondere eine Sensoranordnung mit einem nanopartikelbasierten Halbleiter-Strukturelement.
Halbleiterschaltungen sind hinlänglich bekannt und weisen mindestens ein halbleitendes Material und mindestens einen p-n-Übergang auf. Eine oder mehrere derartige Halbleiterschaltungen können in Halbleiterstrukturen integriert sein. Diese Halbleiterstrukturen können eindimensionale, zweidimensionale oder dreidimensionale Formen aufweisen und daher auch als Halbleiter-Strukturelemente bezeichnet werden. Diese werden für gewöhnlich eingesetzt, um beispielsweise elektronische Bauteile herzustellen. Beispielsweise werden derartige Halbleiter-Strukturelemente heutzutage im Bereich der Sensorik genutzt. Aufgrund der geringen, und teilweise mikroskopisch kleinen Abmessungen halbleiterbasierter Sensoren sind die erzeugbaren Signalpegel verhältnismäßig gering. Daher müssen derartige Halbleiter-Strukturelemente hochpräzise gefertigt werden, was jedoch mit hohen Herstellungskosten verbunden ist.
Außerdem müssen die sehr geringen Signalpegel in der Regel verstärkt werden, bevor die Signale ausgewertet werden können. Bei der auf Halbleitertechnik basierenden Detektion von Licht wird beispielsweise eine intrinsische Verstärkung durch Avalanche-Verviel- fältigung von elektrischen Ladungsträgern verwendet. Dort liegt eine Beschleunigungsspannung über einem Bauelementbereich, in dem durch Licht die elektrischen Ladungsträger erzeugt und durch nachfolgende ionisierende Stöße vervielfältigt werden. Dies lässt sich allerdings so nicht auf die elektrochemische Sensorstruktur übertragen.
Bei der chemischen Sensorik kann das Prinzip der intrinsischen Verstärkung hingegen nicht ohne weiteres adaptiert werden. Je nachdem auf welchen chemischen Bestandteil die halbleiterbasierte Sensorik responsiv sein soll, müssen bei der Herstellung eines konventionellen chemischen Halbleiter-Sensors teilweise sehr hohe Prozessierungstempera- turen (> 600°C) angewendet werden, um geeignete stöchiometrische Verbindungen zu schaffen. Bei diesen hohen Prozessierungstemperaturen besteht jedoch die Gefahr, dass die halbleiterbasierte Sensorschicht irreparabel geschädigt wird. Außerdem würden, je nachdem welcher chemische Bestandteil gemessen werden soll, Materialverbindungen benötigt, die jedoch aufgrund inkompatibler konventioneller Herstellungsprozesse nicht miteinander kombinierbar sind, wie z.B oxidische Schichten mit einer dazwischen angeordneten Sulfidschicht. Aus diesem Grund wird im Bereich der halbleiterbasierten chemischen Sensorik heutzutage nicht mit intrinsischer Verstärkung sondern mit einer nachgeschalteten Verstärkung des Sensorsignals gearbeitet, z.B. unter Verwendung von geeigneten Verstärkerschaltungen und mit einer möglichst rauscharmen proportionalen Signalvervielfachung.
Es wäre demnach wünschenswert, eine Sensoranordnung mit einem Halbleiter-Strukturelement bereitzustellen, das diverse Materialkombinationen ermöglicht, um einen breiten Einsatzbereich abzudecken, und dabei trotzdem kostengünstig herstellbar ist und gleichzeitig eine hohe Signalqualität liefert.
Daher wird eine Sensoranordnung mit einem nanopartikelbasierten Halbleiter-Strukturelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen. Ausführungsformen und weitere vorteilhafte Aspekte dieser Sensoranordnung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit Halbleiter-Strukturelement basiert auf Nano- partikeln. Nanopartikel, die auch als Nanoteilchen bezeichnet werden können, definieren sich durch ihre Größe, die typischerweise zwischen 1 bis 100 Nanometern liegt. Das Halbleiter-Strukturelement hat eine eindimensionale, zweidimensionale oder dreidimensionale Form und weist eine Vielzahl derartiger Nanopartikeln auf. Genauer gesagt weist das Halbleiter-Strukturelement eine erste Nanopartikelstruktur mit einer Vielzahl von ersten Nanopartikeln, sowie eine zweite Nanopartikelstruktur mit einer Vielzahl von zweiten Nanopartikeln auf. Die Nanopartikel können innerhalb der jeweiligen Nanopartikelstruktur lose vorliegen oder fest miteinander verbunden sein. Die Nanopartikelstrukturen können beispielsweise in Form einer Schicht, eines Flake-Körpers oder anderer Strukturen vorliegen. Die Nanopartikelstrukturen können demnach ihrerseits ganz allgemein eine eindimensionale, zweidimensionale oder dreidimensionale Form aufweisen. Die erste Nanopartikelstruktur und die zweite Nanopartikelstruktur sind direkt aneinander angrenzend angeordnet, und zwar so, dass zumindest ein Teil der ersten Nanopartikel und zumindest ein Teil der zweiten Nanopartikel in direktem Kontakt miteinander sind. Dies führt dazu, dass sich an den jeweiligen Kontaktpunkten von ersten und zweiten Nanopartikeln ein p- n-Übergang mit einer vorbestimmten Raumladungszone ausbildet. Gleichbedeutend mit einem p-n-Übergang ist selbstverständlich auch ein n-p-Übergang, der somit ebenfalls im Sinne der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen ist. Die vorbestimmte Raumladungszone zwischen den beiden Nanopartikelstrukturen bedingt einen entsprechend vorbestimmten Leitwert des Halbleiter-Strukturelements. Die Nanopartikel innerhalb der Nanopartikelstrukturen führen dazu, dass die jeweilige Nanopartikelstruktur ein verhältnismäßig großes Oberffächen-Volumen-Verhältnis aufweist. Demnach bieten die Nanopartikelstrukturen eine deutliche größere aktive Oberfläche im Vergleich zu konventionellen Halbleiterstrukturen bei gleichem Volumen. Aufgrund der erhöhten aktiven Oberfläche weist das erfindungsgemäße nanopartikelbasierte Halbleiter-Strukturelement eine deutlich höhere Empfindlichkeit im Vergleich zu konventionellen, gleich großen, Halbleiterstrukturen auf. Ein weiterer Vorteil der Nanopartikelstrukturen besteht darin, dass ein einfacher physischer Kontakt zwischen der ersten und der zweiten Nanopartikelstruktur bereits ausreichend ist, um an der Kontaktstelle einen p-n-Übergang auszubilden. Das heißt, die im Stand der Technik üblichen hohen Prozessierungstemperaturen (> 600°C), die zum Herstellen von stöchiometrischen Verbindungen zwischen zwei konventionellen (nicht nanopartikelbasierten) Halbleitermaterialien benötigt werden, können vermieden werden. Zudem können mit der vorliegenden Erfindung auch Verbindungen von Materialien, die ansonsten aufgrund nicht-kompatibler Herstellungsprozesse nicht oder nur unter erschwerten Bedingungen miteinander kombinierbar wären, realisiert werden. Das nanopartikelbasierte Halbleiter-Strukturelement weist erfindungsgemäß einen heterogenen Aufbau auf. Das heißt, die ersten Nanopartikel der ersten Nanopartikelstruktur und die zweiten Nanopartikel der zweiten Nanopartikelstruktur weisen jeweils unterschiedliche Materialien auf, die sich in der Höhe der Austrittsarbeiten für Elektronen und/oder in der Höhe der jeweiligen Bandlücke voneinander unterscheiden. Der sich zwischen den beiden Nanopartikelstrukturen ausbildende pn-Übergang wird auch als hetero-junction bezeichnet. Dies steht im Gegensatz zu einem sogenannten homo-junction, bei dem aneinander angrenzende Strukturen dasselbe Material, aber mit unterschiedlicher Dotierung, aufweisen. Ferner sind die erste Nanopartikelstruktur und die zweite Nanopartikelstruktur jeweils als eine Nanopartikelschicht ausgeführt. Die Nanopartikelschichten sind in einem Schichtstapel angeordnet, der wiederum auf einem Substrat angeordnet ist. Die Nanopartikei- schichten weisen eine laterale (d.h. horizontal bzw. parallel zum Substrat) verlaufende Ausdehnung auf und sind innerhalb des Schichtstapels horizontal übereinander geschichtet, d.h. der Schichtstapel weist in vertikaler Richtung (relativ zum Substrat) gesehen mehrere übereinander angeordnete horizontale Schichten auf. Zwischen dem Substrat und dem Schichtstapel ist eine elektrisch leitfähige Beschichtung zur Ankontaktierung des nanopartikelbasierten Halbleiter-Strukturelements vorgesehen, d.h. die elektrisch leitfähige Beschichtung bildet eine erste Elektrode. Auf der dem Substrat gegenüberliegenden Seite des Schichtstapels wiederum ist eine weitere elektrisch leitfähige Beschichtung zur Ankontaktierung des nanopartikelbasierten Halbleiter-Strukturelements vorgesehen, d.h. die weitere elektrisch leitfähige Beschichtung bildet eine zweite Elektrode. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung liegt demnach also in Form eines Schichtstapels mit mehreren übereinander angeordneten horizontalen Schichten vor. Aufgrund der beidseitigen außenseitigen Kontaktierung der ersten und zweiten Nanopartikelstrukturen ergibt sich ein (bezogen auf die horizontalen Schichten im Schichtstapel) vertikaler Strompfad durch den Schichtstapel hindurch. Dies bietet einen entscheidenden Vorteil für die Sensoranordnung, nämlich dass sich bei dünnen Schichten ein relativ niedriger elektrischer Widerstand einsteift und sich somit der elektrische Strom als Nutzsignal aus einem möglichen Rauschbereich herausheben lässt. Damit lassen sich auch kleinere Nutzsignale auswerten d.h. man erhält eine erhöhte Sensitivität gegenüber dem zu bestimmenden Analyten. Insbesondere bei horizontalen Strompfaden konventioneller Sensoren ist zu beobachten, dass sich nur ein hoher elektrischer Widerstand realisieren lässt, bei welchen stets ein Mittelweg zwischen gutem Ansprechverhalten des Sensors (d.h. Sensorschicht möglichst dünn) und geringem elektrischen Widerstand (d.h. Sensorschicht möglichst dick) gefunden werden muss. Die vorliegende Erfindung bietet eine Lösung zum Problem des hohen Widerstandes, indem die Signalauswertung / Stromrichtung senkrecht zu den Nanoparti- kel-Schichten geführt wird. Aufgrund der möglichen sehr kurzen Längen wird der Widerstand, im Vergleich zum Stand der Technik, proportional zur Länge der Signalstrecke kleiner. Durch die Verwendung eines flächigen Aufbaus mit Nanopartikelstrukturen wird mit zunehmender Fläche der Widerstand quadratisch kleiner.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die erste Nanopartikelstruktur und/oder die zweite Nanopartikelstruktur eine diffusionsoffene (innere) Struktur aufweisen, in welche Moleküle aus der Umgebung eindiffundieren können. Wie eingangs erwähnt, können die Nanopartikel innerhalb der jeweiligen Nanopartikelstruktur derart aneinander angelagert sein, dass sich eine poröse Struktur ausbildet. Demnach kann die gesamte Nanopartikelstruktur innen sowie außen eine poröse Struktur aufweisen. Dies wiederum erhöht das Oberflächen-Volumen-Verhältnis der aktiven, inneren Oberfläche der jeweiligen Nanopartikelstruktur.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das nanopartikelbasierte Halbleiter- Strukturelement derart ausgestaltet sein, dass sich die vorbestimmte Raumladungszone und somit ein vorbestimmter Leitwert des nanopartikelbasierten Halbleiter-Strukturelements verändert, wenn sich eindiffundierte Moleküle an der Oberfläche von in der jeweiligen Nanopartikelstruktur enthaltenen Nanopartikeln anlagern. Die sich anlagernden Moleküle beeinflussen somit direkt den p-n-Übergang zwischen sich gegenseitig kontaktierenden Nanopartikeln der ersten und zweiten Nanopartikelstrukturen. Das heißt, die Raumladungszone des p-n-Übergangs wird größer oder kleiner. Dies führt dementsprechend zu einer Änderung des Leitwerts des Halbleiter-Strukturelements, d.h. der Leitwert wird ebenfalls größer oder kleiner. Aufgrund des großen Oberflächen-Volumen-Ver- hältnisses der Nanopartikelstrukturen können sich (im Vergleich zu konventionellen, nicht nanopartikelbasierten Halbleiterstrukturen) relativ viele Moleküle an der aktiven Oberfläche anlagern. Je mehr Moleküle sich an der aktiven Oberfläche anlagern, desto stärker fällt die Änderung des Leitwerts aus. Dies kann vorteilhaft für elektrochemische Sensorik verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Halbleiter-Strukturelement eine Auswerteschaltung aufweisen oder mit einer solchen verbunden werden, wobei die erste und/oder die zweite Nanopartikelstruktur eine elektrochemische Sensorstruktur bereitstellt, wobei Moleküle eines Analyten in diese elektrochemische Sensorstruktur eindiffundieren und sich an der Oberfläche von darin befindlichen Nanopartikeln anlagern können, um die vorbestimmte Raumladungszone und somit einen vorbestimmten Leitwert des nanopartikelbasierten Halbleiter-Strukturelements zu verändern, und wobei die Auswertevorrichtung ausgestaltet ist, um basierend auf der Änderung des Leitwerts den Analyten zu bestimmen. Wie eingangs erwähnt, kann also mittels des erfindungsgemäßen Halbleiter- Strukturelements ein elektrochemischer Sensor realisiert werden. Die erste und/oder zweite Nanopartikelstruktur können dabei eine elektrochemische Sensorschicht bereitstellen, an der sich Moleküle eines Analyten anlagern können. Je nach Typ des Analyten stellt sich ein anderer Leitwert ein, anhand dessen der Analyt bestimmt werden kann. Da sich aufgrund der porösen Struktur der Nanopartikelstrukturen verhältnismäßig viele Moleküle an der aktiven Oberfläche anlagern können, können auch unterschiedliche Typen von Analyten mit hoher Genauigkeit bzw. Empfindlichkeit bestimmt und voneinander unterschieden werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das nanopartikelbasierte Halbleiter- Strukturelement ausgestaltet sein, um ein Signal mit intrinsisch nicht-linearer Verstärkung zu erzeugen. Das heißt, das erfindungsgemäße Halbleiter-Strukturelement benötigt im Vergleich zu konventionellen, nicht nanopartikelbasierten, Halbleitern keine extrinsische Signalverstärkung. Zudem kann die sich an den einzelnen Nanopartikeln ausbildende Vielzahl von p-n-Übergängen dafür sorgen, dass es zu einer nicht-linearen Signalverstärkung kommt. Beispielsweise kann eine sich selbst verstärkende Signalverstärkungswirkung eintreten, vergleichbar mit dem Avalanche-Effekt bei Photodioden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispie! können die ersten Nanopartikel der ersten Nanopartikelstruktur und die zweiten Nanopartikel der zweiten Nanopartikelstruktur jeweils unterschiedliche Materialien aufweisen, die sich in der Höhe der Austrittsarbeiten für Elektronen und/oder in der Höhe der jeweiligen Bandlücke voneinander unterscheiden. Das heißt, das Halbleiter-Strukturelement weist einen heterogenen Aufbau auf, wobei die ersten Nanopartikel der ersten Nanopartikelstruktur und die zweiten Nanopartikel der zweiten Nanopartikelstruktur unterschiedliche Materialien aufweisen können. Diese unterschiedlichen Materialien sind vorzugsweise unterschiedliche Halbleitermaterialien, sodass es an den Kontaktstellen zwischen den Nanopartikeln unterschiedlicher Materialien zu elektronischen Übergängen mit p-n-Charakteristik bzw. n-p-Charakteristik kommt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die ersten Nanopartikel der ersten Nanopartikelstruktur und die zweiten Nanopartikel der zweiten Nanopartikelstruktur jeweils unterschiedliche Materialien aus der chemischen Hauptgruppe VI, die auch als
Chalkogene bezeichnet werden, aufweisen. Hierzu zählen Sauerstoff (O), Schwefel (S), Selen (Se), Tellur (Te), sowie Polonium (Po) und Livermorium (Lv).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die ersten Nanopartikel der ersten Nanopartikelstruktur und die zweiten Nanopartikel der zweiten Nanopartikelstruktur jeweils unterschiedliche Materialverbindungen mit jeweils mindestens einem Element der chemischen Hauptgruppe VI und mindestens einem Übergangsmetall aufweisen, wobei diese Materialverbindungen auch als Chalkogenide bezeichnet werden und die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern aufweisen. Chalkogenide sind chemische Verbindungen aus einem oder mehreren Chalkogen-Elementen (insbesondere Sauerstoff, Schwefel, Selen und Tellur) als formale Anionen mit Metallen oder stärker elektropositiven Elementen (Arsen, Germanium, Phosphor, Antimon, Blei, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Titan, Natrium) als formale Kationen. Für die erfindungsgemäßen Nanopartikelstrukturen werden vorzugsweise Übergangsmetalle als Reaktionspartner mit den Chalkogen-Elementen verwendet, da diese eine Elektronenkonfiguration besitzen, so dass sich eine halb-leitende Eigenschaft der Materialverbindung einstellt. Die chemischen Elemente mit den Ordnungszahlen von 21 bis 30, 39 bis 48, 57 bis 80 und 89 bis 1 12 werden üblicherweise als Übergangselemente bezeichnet. Da diese Elemente alle Metalle sind, wird auch der Ausdruck Übergangsmetalle benutzt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die ersten Nanopartikel der ersten Nanopartikelstruktur und/oder die zweiten Nanopartikel der zweiten Nanopartikelstruktur eine oxidische Materialverbindung aus Sauerstoff und einem Übergangsmetall aufweisen. Eine solche Chalkogenid-Verbindung mit Sauerstoff ist im Vergleich zu Chalkogenid-Ver- bindungen mit Selen oder Tellur für manche Anwendungen vorteilhaft, da letztere Chalko- genid-Verbindungen giftig sind.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die ersten Nanopartikel der ersten
Nanopartikelstruktur und/oder die zweiten Nanopartikel der zweiten Nanopartikelstruktur zumindest eine oxidische Materialverbindung aus der Gruppe von ZnO, Ti02, M0O3, WO3 und Fe203 aufweisen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die ersten Nanopartikel der ersten Nanopartikelstruktur und/oder die zweiten Nanopartikel der zweiten Nanopartikelstruktur eine sulfidische Materialverbindung aus Schwefel und einem Obergangsmetall aufweisen. Eine solche Chalkogenid-Verbindung mit Schwefel ist im Vergleich zu Chalkogenid-Ver- bindungen mit Selen oder Tellur für manche Anwendungen vorteilhaft, da letztere Chalko- genid-Verbindungen giftig sind.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die ersten Nanopartikel der ersten Nanopartikelstruktur und/oder die zweiten Nanopartikel der zweiten Nanopartikelstruktur zumindest eine sulfidische Materialverbindung aus der Gruppe von M0S2, WS2 und FeS2 (Eisendisulfid, Pyrith) aufweisen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die ersten Nanopartikel der ersten Nanopartikelstruktur ein Material aus der chemischen Hauptgruppe III aufweisen, und die zweiten Nanopartikel der zweiten Nanopartikelstruktur können ein Material aus der chemischen Hauptgruppe V aufweisen. Natürlich ist es ebenfalls möglich, dass die ersten Nanopartikel der ersten Nanopartikelstruktur ein Material aus der chemischen Hauptgruppe V aufweisen, und die zweiten Nanopartikel der zweiten Nanopartikelstruktur ein Material aus der chemischen Hauptgruppe III aufweisen.
Alternativ könnten die ersten Nanopartikel der ersten Nanopartikelstruktur und die zweiten Nanopartikel der zweiten Nanopartikelstruktur beispielsweise das gleiche Material, jedoch mit einer unterschiedlichen Dotierung, aufweisen. Das heißt, das Halbleiter-Strukturelement könnte beispielsweise einen homogenen Aufbau aufweisen, wobei die ersten Nanopartikel der ersten Nanopartikelstruktur und die zweiten Nanopartikel der zweiten Nanopartikelstruktur die gleichen Materialien aufweisen könnten, wobei diese Materialien vorzugsweise die gleichen Halbleitermaterialien sein könnten. Diese könnten beispielsweise eine unterschiedliche Dotierung aufweisen, sodass es an den Kontaktstellen zwischen den Nanopartikeln mit unterschiedlicher Dotierung zur Ausbildung von p-n-Übergängen kommt.
Gemäß einem derartigen Beispiel könnten die ersten Nanopartikel der ersten Nanoparti- kelstruktur und die zweiten Nanopartikel der zweiten Nanopartikelstruktur beispielsweise jeweils das gleiche Material aufweisen, welches ein Element der chemischen Haupt gruppe IV enthält. Hierzu zählen unter anderem Kohlenstoff (C), Silizium (Si) oder Germanium (Ge).
Erfindungsgemäß sind die erste Nanopartikelstruktur und die zweite Nanopartikelstruktur jeweils als eine Nanopartikelschicht ausgeführt, wobei diese Nanopartikelschichten in einem Schichtstapel übereinander angeordnet sind. Dies bietet eine einfache Art und Weise, die einzelnen Nanopartikelstrukturen miteinander zu kontaktieren. Das Erstellen von Schichtstapefn mit Nanopartikel beinhaltenden Schichten kann außerdem aus konventionellen Verfahren zum Herstellen von konventionellen, nicht nanopartikelbasierten, Halbleiterstrukturen übernommen werden. Dies bietet eine kostengünstige Adaption bestehender Technik, angewendet auf ein anderes technisches Gebiet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Halbleiter-Strukturelement eine dritte Nanopartikelschicht mit einer Vielzahl von dritten Nanopartikeln aufweisen, wobei die zweite Nanopartikelschicht zwischen der ersten und der dritten Nanopartikelschicht angeordnet ist, und wobei sich an den jeweiligen Kontaktpunkten von zweiten und driten Nanopartikeln ein zweiter p-n-Übergang mit einer vorbestimmten Raumladungszone ausbildet. Auch bei diesem zweiten p-n-Übergang gilt sinngemäß, dass dieser natürlich auch einen n-p-Übergang einschließt. Es wird also ein Schichtstapel bereitgestellt, der drei Nanopartikelstrukturen in Form von drei aufeinander gestapelten Nanopartikelschichten aufweist. Dabei kann es denkbar sein, dass die zweite und die dritte Nanopartikelstruktur einen homogenen oder einen heterogenen Aufbau aufweisen, wie dies zuvor mit Bezug auf die erste und zweite Nanopartikelstrukturen beschrieben wurde. Die erste und die dritte Nanopartikelstruktur können das gleiche Material oder unterschiedliche Materialien aufweisen, wobei das Material der dritten Nanopartikelstruktur vorzugsweise ein Halbleitermaterial ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann zumindest eine der ersten, zweiten und dritten Nanopartikelschichten mittels entsprechender Strukturierung freigelegt sein, $o- dass sich in der Umgebung befindliche Moleküle an die jeweils freigelegte Nanopartikelschicht anlagern können. Freigelegt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die jeweilige Nanopartikelschicht eine Strukturierung, z.B. Loch, Graben, etc. aufweist, wobei diese Strukturierung laterale Seitenwände aufweist, die mit der Umgebung in Kontakt bringbar sind. Dies ermöglicht eine laterale Eindiffusion von in der Umgebung befindlichen Molekülen durch ebendiese lateralen Seitenwände. Das heißt, es wird eine mehrseitige Eindiffusion ermöglicht. Im Vergleich dazu ist ohne eine solche Strukturierung keine laterale Diffusion möglich, sondern lediglich eine Eindiffusion von einer Seite (z.B. einer unstrukturierten Oberseite).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das nanopartikelbasierte Halbleiter- Strukturelement eine Diodenstruktur mit einem p-n-Übergang, oder eine Transistorstruktur mit zwei p-n-Übergängen, oder eine Thyristorstruktur mit drei p-n-Übergängen bilden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das nanopartikelbasierte Halbleiter- Strukturelement eine elektrochemische Sensorstruktur sein, wobei die erste Nanopartikel- struktur und die direkt daran angrenzende zweite Nanopartikelstruktur zusammen eine Sensorschicht bilden. Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines nanopartikelbasierten Halbleiter-Strukturelements mit zwei Nanopartikelstrukturen für eine Sensoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel, Figs. 2A, 2B eine schematische Skizze zur Erläuterung eines nanopartikelbasierten p-n- Übergangs,
Figs. 3A, 3B eine weitere schematische Skizze zur Erläuterung eines weiteren nanopartikelbasierten p-n-Übergangs,
Figs. 4A-4C eine schematische Skizze zur Erläuterung unterschiedlicher elektronischer
Charakteristiken, die mittels nanopartikelbasierter p-n-Übergange realisierbar sind,
Fig. 5A eine Sensoranordnung mit einem Halbleiter-Strukturelement aufweisend einen Schichtstapel mit drei Nanopartikelstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel, Fig. 5B eine schematische Ansicht eines nanopartikelbasierten Halbleiter-Strukturelements mit drei Nanopartikelstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figs. 6A-6D schematische Draufsichten und Schnittansichten einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung mit unterschiedlich strukturierten Halbleiter-Strukturelementen gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, und
Fig. 7 ein schematisches Blockdiagramm zur Kategorisierung unterschiedlicher nanopartikelbasierter Halbleiter-Strukturelemente.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrie ben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Außerdem wird hierin in einigen expliziten Beispielen ein elektrochemischer Sensor als ein nicht-limitierendes Beispiel für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung mit einem Halbleiter-Strukturelement beschrieben. Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Sensoranordnung nicht auf eine solche, lediglich beispielhaft genannte, elektrochemische Sensorik beschränkt.
Figur 1 zeigt ein nanopartikelbasiertes Halbleiter-Strukturelement 10 zum Einsatz in einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung. Das nanopartikelbasierte Halbleiter-Strukturelement 10 weist eine erste Nanopartikelstruktur 11 mit einer Vielzahl von ersten Nanoparti- keln 111, 112, 113 auf. Das nanopartikelbasiertes Halbleiter-Strukturelement 10 weist außerdem eine zweite Nanopartikelstruktur 12 mit einer Vielzahl von zweiten Nanopartikeln 12i, 122, 123 auf.
Die erste Nanopartikelstruktur 11 und die zweite Nanopartikelstruktur 12 sind in diesem nicht-limitierenden Ausführungsbeispiel als einlagige zweidimensionale Strukturen ausgeführt, die in etwa vergleichbar sind mit einlagigen Schichten. Die Nanopartikelstrukturen 11 , 12 sind jedoch nicht auf zweidimensionale geometrische Formen beschränkt. Die Nanopartikelstrukturen 11 , 12 können auch eindimensionale sowie dreidimensionale geometrische Formen aufweisen, beispielsweise in Form von Würfeln, Quadern, Nanotubes und dergleichen. Außerdem können die Nanopartikelstrukturen 11 , 12 unterschiedliche geometrische Formen, oder aber jeweils die gleiche geometrische Form, wie in Figur 1 abgebildet, aufweisen. Die erste Nanopartikelstruktur 1 1 und die zweite Nanopartikelstruktur 12 sind direkt aneinander angrenzend angeordnet, sodass zumindest ein Teil der ersten Nanopartikel 1 1 i,
112, 1 1a und zumindest ein Teil der zweiten Nanopartikel 12i, 122, 123 in direktem Kontakt miteinander sind.
Dabei bilden sich an den jeweiligen Kontaktpunkten von ersten und zweiten Nanopartikeln 111 , 1 12, 113, 12i, 12Zl 123 ein p-n-Übergang mit einer vorbestimmten Raumladungszone aus. Genauer gesagt kann sich an jedem Kontaktpunkt, an dem ein erstes Nanopartikel 1 11 » 112, 1 1 3 ein zweites Nanopartikel 12i, 122, 123 physisch kontaktiert, jeweils ein p-n- Übergang ausbilden.
Dies soll beispielhaft unter Bezugnahme auf die Figuren 2A und 2B näher erläutert werden. Es sind ein n-dotiertes T1O2 Nanopartikel sowie ein n-dotiertes Fe203 Nanopartikel zu sehen, wobei die Nanopartikel in Figur 2A voneinander getrennt sind, und wobei sich die Nanopartikel in Figur 2B gegenseitig berühren. Jeweils darüber sind deren Energiebänder eingezeichnet d.h. das Valenzband Ev, das darüberliegende Leitungsband Ec und das dazwischen angeordnete Ferminiveau EF.
Wie in Figur 2A zu erkennen ist, besitzt das Ti02 Nanopartikel ein im Vergleich zum Fe203 Nanopartikel höheres Leitungsband Ec, wodurch sich beim Ti02 Nanopartikel eine im Vergleich zum Fe203 Nanopartikel größere Bandlücke EG ergibt. Außerdem liegt das Ferminiveau EF beim Ti02 Nanopartikel höher als beim Fe203 Nanopartikel.
Wie in Figur 2B zu sehen ist, kommt es beim Kontakt der beiden Nanopartikel zum Driften bzw. zur Diffusion von Ladungsträgern, wodurch sich die Ferminiveaus EF beider Nanopartikel angleichen. Dies führt zu einem p-n-Übergang mit einer vorbestimmten Raumladungszone. Im Bereich der Leitungsbänder Ec kommt es zu einem sprunghaften Übergang. Im Wesentlichen ergibt sich demnach, aufgrund der unterschiedlichen Energieniveaus der jeweiligen Energiebänder, beim gegenseitigen Kontakt der beiden Nanopartikel eine Diodencharakteristik. Der in Figur 2B dargestellte Sprung im Leitungsband Ec kann bei geeigneter Polung zu einem Tunneleffekt führen, der die ohnehin nicht-lineare Diodencharakteristik nochmals deutlich verstärken kann.
In den Figuren 3A und 3B ist ein weiteres derartiges Beispiel abgebildet, wobei sich ein n- dotiertes Ti02 Nanopartikel und ein p-dotiertes WS2 Nanopartikel gegenseitig kontaktieren. Auch hier gleichen sich durch Diffusion bzw. Drift der Ladungsträger die Ferminiveaus EF der jeweiligen Nanopartikel aneinander an. Bes diesem Beispiel kommt es ebenfalls zu einem sprunghaften Übergang, jedoch diesmal im Bereich der Valenzbänder Ev. Die Figuren 4A, 4B und 4C zeigen rein beispielhaft, welche Bauteilcharakteristiken mit dem erfindungsgemäßen Halbleiter-Strukturelement 10 auf diese Art realisierbar sind. Figur 4A zeigt einen soeben beschriebenen p-n-Übergang zwischen einem T1O2 und einem WS2 Nanopartikel, was zu einer Diodencharakteristik führt. Figur 4B zeigt zwei p-n-Über- gänge an den jeweiligen Kontaktpunkten von zwei T1O2 Nanopartikeln zu einem dazwischen angeordneten WS2 Nanopartikel. Dies führt zu einer Transistorcharakteristik eines n-p-n-Transistors. Figur 4B zeigt zwei p-n-Übergänge an den jeweiligen Kontaktpunkten von zwei WS2 Nanopartikeln zu einem dazwischen angeordneten T1O2 Nanopartikel. Dies führt zu einer Transistorcharakteristik eines p-n-p-Transistors.
In allen Beispielen kommt es beim Kontakt der jeweiligen Nanopartikel zur Einstellung ei nes Energie-Gleichgewichts, sodass sich eine vorbestimmte Raumladungszone ausbildet. Diese vorbestimmte Raumladungszone führt dazu, dass das erfindungsgemäße Halbleiter-Strukturelement 10 einen vorbestimmten Leitwert aufweist.
Durch Anlagerung von beispielsweise in der Umgebung befindlichen Molekülen an den jeweiligen Nanopartikelstrukturen 11 , 12 verschiebt sich die vorbestimmte Raumladungszone und damit der vorbestimmte Leitwert des Halbleiter-Strukturelements 10.
Bedingt durch den Aufbau der Nanopartikelstrukturen 11 , 12 weisen diese eine diffusionsoffene äußere sowie innere Struktur auf, sodass die zuvor genannten Moleküle aus der Umgebung in die jeweilige Nanopartikelstruktur 11 , 12 eindiffundieren können.
Dabei ist das nanopartikelbasierte Halbleiter-Strukturelement 10 derart ausgestaltet, dass sich die vorbestimmte Raumladungszone und somit der vorbestimmte Leitwert des nano- partikelbasierten Halbleiter-Strukturelements 10 verändert, wenn sich eindiffundierte Moleküle an der Oberfläche von in der jeweiligen Nanopartikelstruktur 11 , 12 enthaltenen Nanopartikeln 1 1 1, Ü 2, I I3, 1 2i, 1 22, 1 23 anlagern.
Dies kann vorteilhaft für beispielsweise elektrochemische Sensorik-Anwendungen genutzt werden, um beispielsweise einen bestimmten Analyten zu bestimmen. Je nachdem, welche Stoff-Moleküle sich an den jeweiligen Nanopartikeln 111, 112, H3, 12i, 122, 123 anlagern, verändert sich die vorbestimmte Raumladungszone und somit der vorbestimmte Leitwert des Halbleiter-Strukturelements 10 in unterschiedlichem Maße. Dies wiederum ist ein charakteristisches Indiz für den jeweiligen Stoff des angeiagerten Moleküls, sodass dieser Stoff als Analyt bestimmt werden kann. Dies kann mit einer entsprechenden Auswertevorrichtung durchführbar sein. Dementsprechend sehen Ausführungsbeispiele vor, dass das nanopartikelbasierte Halbleiter-Strukturelement 10 eine Auswertevorrichtung aufweisen kann, oder zumindest an eine solche Auswertevorrichtung anschließbar ist, wobei die erste und/oder die zweite Na- nopartikelstruktur 11 , 12 (gemeinsam oder jeweils einzeln) eine elektrochemische Sensorstruktur bereitstellen, wobei Moleküle eines Analyten in diese elektrochemische Sensorstruktur eindiffundieren und sich an der Oberfläche von darin befindlichen Nanoparti- keln 1 11, 112, 113, 12i, 122, 12s anlagern können, um die vorbestimmte Raumladungszone und somit den vorbestimmten Leitwert des nanopartikelbasierten Halbleiter-Strukturelements 10 zu verändern. Die Auswertevorrichtung kann dementsprechend dazu ausgestaltet sein, um basierend auf der Änderung des Leitwerts den Analyten zu bestimmen.
Basierend auf dem jeweiligen Analyten wird ein dementsprechendes Signal von dem Halbleiter-Strukturelement 10 erzeugt. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen nanopartikelbasierten Halbleiter-Strukturelements 10 besteht dabei darin, dass dieses derart ausgestaltet sein kann, um ein Signal mit intrinsisch nicht-linearer Verstärkung zu erzeugen.
Figur 5A zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 60 mit einem Halbleiter-Strukturelement 10, das beispielsweise als eine elektrochemische Sensoranordnung 60 verwendet werden kann. Das Halbleiter-Strukturelement 10 weist einen Schichtstapel 50 auf, der eine erste, eine zweite und eine dritte Nanopartikelschicht 1 1 , 12, 13 aufweist.
Dies ist etwas genauer in Figur 5B dargestellt. Das Halbleiter-Strukturelement 10 weist eine erste Nanopartikelstruktur 11 mit einer Vielzahl von ersten Nanopartikeln (111, H2,
113), eine zweite Nanopartikelstruktur 12 mit einer Vielzahl von zweiten Nanopartikeln (12i, 122, 123) und eine dritte Nanopartikelstruktur 13 mit einer Vielzahl von dritten Nanopartikeln (13i, 132, 133) auf. Dabei ist die zweite Nanopartikelstruktur 12 zwischen der ersten und der zweiten Nanopartikelstruktur 11 , 13 angeordnet. Die jeweiligen Nanopartikel- strukturen 11 , 12, 13 sind hier rein beispielhaft als Schichten mit mehreren Nanopartikeln dargestellt, die gemeinsam einen Nanopartikelschichtstapel 50 bilden. Eine Ausführung als Schichtstapel ist natürlich auch mit zwei oder mehr als den abgebildeten drei Nanopar- tikelschichten denkbar. Wie zuvor beschrieben, kann sich hierbei zwischen den einzelnen Nanopartikeln der jeweiligen Nanopartikelstrukturen (bzw. Nanopartikelschichten) 11 , 12, 13 jeweils ein p-n-Übergang ausbilden.
Das in Figur 5A abgebiidete Halbleiter-Strukturelement 10 kann optional weitere Elemente bzw. Schichten aufweisen. Beispielsweise kann ein Substrat 51 vorgesehen sein, auf welchem der zuvor erwähnte Nanopartikelstruktur-Schichtstapel 50 angeordnet sein kann.
Das Substrat 51 kann beispielsweise ein transparentes Substrat sein und beispielsweise einen oder mehrere Bestandteile aus der Gruppe von Glas, Quarz, Polymer oder Silizium aufweisen.
Ferner optional kann zwischen dem Substrat 51 und dem Schichtstapel 50 eine elektrisch leitfähige Beschichtung 52 vorgesehen sein. Diese kann beispielsweise zur Ankontaktierung des Halbleiter-Strukturelements 10 dienen. Die elektrisch leitfähige Beschichtung 52 kann beispielsweise einen oder mehrere Bestandteile aus der Gruppe von Indium-Zinno xid (ITO), Fluor-dotiertem-Zinnoxid (FTO) und Metall aufweisen. Außerdem kann die elektrisch leitfähige Beschichtung 52 ebenfalls transparent sein.
Ferner optional kann eine weitere elektrisch leitfähige Beschichtung 56 vorgesehen sein. Diese kann beispielsweise auf der dem Substrat 51 gegenüberliegenden Seite des Schichtstapels 50 angeordnet sein und zur Ankontaktierung des Halbleiter-Strukturelements 10 dienen. Die weitere elektrisch leitfähige Beschichtung 56 kann beispielsweise einen oder mehrere Bestandteile aus der Gruppe von Indium-Zinnoxid (ITO), Fluor-dotiertem-Zinnoxid (FTO) und Metall aufweisen. Außerdem kann die weitere elektrisch leitfähige Beschichtung 52 ebenfalls transparent sein.
Der Schichtstapel 50 selbst kann in diesem Falle, wie zuvor beschrieben, eine Transistorcharakteristik aufweisen. Dabei kann die in der Mitte liegende zweite Nanopartikel- schicht 12 als elektrische Basis dienen. Die erste Nanopartikelschicht 11 und die dritte Nanopartikelschicht 13 können jeweils entweder als elektrische Source oder Drain (bzw. anders herum) dienen.
Figur 6A zeigt eine Draufsicht auf das Halbleiter-Strukturelement 10 aus Figur 5A. Hier sind die elektrisch leitfähigen Schichten 52, 56 zu sehen, die jeweils eine Kontaktfläche 57, 58 zur elektrischen Ankontaktierung des Halbleiter-Strukturelements 10, und insbesondere der elektrischen Drain bzw. Source, bereitstellen.
Sofern die weitere, bzw. obere, elektrisch leitfähige Beschichtung 56 porös ist, so können in der Umgebung befindliche Moleküle durch diese poröse Beschichtung 56 hindurch diffundieren und an die darunter liegende dritte Nanopartikelstruktur 13 gelangen, um sich dort an der Oberfläche der darin enthaltenen Nanopartikel anzulagern. Hierfür kann die weitere elektrisch leitfähige Beschichtung 56 beispielsweise ebenfalls als eine poröse Nanopartikelstruktur ausgeführt sein. Denkbar wären Ausgestaltungen beinhaltend Metall- Nanopartikel, ITO-Nanopartikel oder FTO-Nanopartikel. Falls die weitere, bzw. obere, elektrisch leitfähige Beschichtung 56 nicht porös sein sollte, so können in der Umgebung befindliche Moleküle nicht bzw. nur erschwert durch diese poröse Beschichtung 56 hindurch diffundieren. Aus diesem Grund sehen Ausführungsbeispiele vor, das Halbleiter-Strukturelement 10 entsprechend zu strukturieren. Dies kann beispielsweise mittels in der Halbleitertechnik etablierter Prozesse, wie beispielsweise Lithografie, erfolgen. Einige nicht-iimitierende Ausführungsbeispiele solcher strukturierter Halbleiter-Strukturelemente 10 sollen nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 6B bis 6D näher beschrieben werden.
Die Figuren 6A bis 6D zeigen allesamt Draufsichten auf ein Halbleiter-Strukturelement 10 wie es zuvor unter Bezugnahme auf Figur 5A beispielhaft beschrieben wurde, sowie Schnittansichten entlang der jeweiligen Schnittlinien A-A, B-B, C-C, D-D.
In dem in Figur 6B gezeigten Ausführungsbeispiel ist die weitere, bzw. obere, elektrisch leitfähige Schicht 56 strukturiert worden. Hier wurden beispielhaft viereckige Aussparungen in die elektrisch leitfähige Schicht 56 strukturiert. Diese Aussparungen ermöglichen es, dass in der Umgebung befindliche Moleküle zu der dritten Nanopartikelstruktur 13 gelangen können, um sich dort an der Oberfläche der jeweiligen Nanopartikel anzulagern.
In dem in Figur 6C gezeigten Ausführungsbeispiel ist alternativ oder zusätzlich zu der weiteren, bzw. oberen, elektrisch leitfähigen Schicht 56 auch die darunterliegende dritte Nanopartikelstruktur 13 strukturiert worden. Hier wurden ebenfalls rein beispielhaft viereckige Aussparungen in die elektrisch leitfähige Schicht 56 sowie in die dritte Nanopartikelstruktur 13 strukturiert. Diese Aussparungen ermöglichen es, dass in der Umgebung befindliche Moleküle zu der dritten Nanopartikelstruktur 13 und auch zu der darunter liegenden zweiten Nanopartikelstruktur 12 gelangen können, um sich dort an der Oberfläche der jeweiligen Nanopartikel anzulagern.
In dem in Figur 6D gezeigten Ausführungsbeispiel ist alternativ oder zusätzlich zu dem in Figur 6C gezeigten Ausführungsbeispiel auch die zweite Nanopartikelstruktur 12 strukturiert worden. Hier wurden ebenfalls rein beispielhaft viereckige Aussparungen in die elektrisch leitfähige Schicht 56 sowie in die zweite und dritte Nanopartikelstrukturen 12, 13 strukturiert. Diese Aussparungen ermöglichen es, dass in der Umgebung befindliche Moleküle zu der dritten Nanopartikelstruktur 13, zu der darunter liegenden zweiten Nanopartikelstruktur 12 und auch zu der ihrerseits darunterliegenden ersten Nanopartikelstruktur 11 gelangen können, um sich dort an der Oberfläche der jeweiligen Nanopartikel anzulagern. Ein Vorteil bei den in den Figuren 6C und 6D gezeigten Ausführungsbeispielen liegt darin, dass die Moleküle auch entlang von lateralen Seitenwänden 61 in die jeweilige Nanoparti- kelstruktur 11 , 12, 13 eindiffundieren können. Diese lateralen Seitenwände ergeben sich aus dem Prozess der Strukturierung und erstrecken sich sozusagen in einer Richtung senkrecht zur Substratebene, d.h. ausgehend vom Substrat 51 vertikal nach oben bzw. vom Substrat 51 weg.
Die soeben beschriebenen Ausführungsbeispiele sehen also allesamt vor, dass zumindest eine der ersten, zweiten und dritten Nanopartikelschichten 11 , 12, 13 mittels entsprechender Strukturierung freigelegt ist, sodass sich in der Umgebung befindliche Moleküle an die jeweils freigelegte Nanopartikelschicht 11 , 12, 13 anlagern können. Dies gilt natürlich nicht nur für Nanopartikelschichten, sondern generell auch für jegliche Nanopartikel- strukturen im Sinne der vorliegenden Offenbarung, d.h. unabhängig von deren geometri schen Form und Ausgestaltung.
Ein wichtiges Kriterium zur Realisierung des hierin beschriebenen Halbleiter-Strukturelements 10 ist die Materialwahl, insbesondere für die Nanopartikelstrukturen 11 , 12, 13. Nachfolgend sollen daher unterschiedliche Materialkompositionen beschrieben werden, wobei diese als nicht abschließende Beispiele zu verstehen sind. Figur 7 zeigt eine Übersicht von verwendbaren Materialien und Materialkompositionen.
Zunächst kann das nanopartikelbasierte Halbleiter-Strukturelement 10 unterschiedliche Nanopartikelstrukturen 11 , 12, 13 aufweisen, die entsprechend ihrem jeweiligen Phänoty- pus untergliedert werden können. Wie eingangs erwähnt, sind eindimensionale, zweidimensionale oder auch dreidimensionale Ausgestaltungen der jeweiligen Nanopartikelstrukturen 11 , 12, 13 denkbar. So können beispielsweise 3D-Partikel, 2D-Flakes, 1 D-Na- notubes, aber auch andere Formen möglich sein.
Es ist zum Beispiel denkbar, dass kugelige Nanopartikel mit einer Beschichtung überzogen werden, sodass sich zwischen dem Nanopartikel und der Beschichtung ein p-n-Über- gang ausbildet. Dies wäre beispielsweise realisierbar, indem man WS2-Flakes oxidiert, sodass WO3 entsteht. Das W03 könnte dann wiederum als Beschichtung von kugeligen Ti02 Nanopartikeln verwendet werden. Dabei würden beispielsweise eine Vielzahl von kugeligen TΊO2 Nanopartikel eine erste Nanopartikelstruktur bilden, und die WC>3-Beschichtung würde eine zweite Nanopartikelstruktur bilden, wobei sich an den Kontaktpunkten jeweils ein p-n-Übergang ausbildet. Wie in Figur 7 zu sehen ist, können die hierin beschriebenen Halbleiter-Strukturelemente 10 des weiteren bezüglich des Aufbaus der jeweiligen Nanopartikelstrukturen 11 , 12, 13 unterschieden werden. Dabei kann unterschieden werden zwischen einem homogenen Aufbau und einem heterogenen Aufbau der Nanopartikelstrukturen. Bei einem homogenen Aufbau weisen die mindestens zwei Nanopartikelstrukturen 11 , 12 gleiche Materialien, aber mit unterschiedlicher Dotierung auf. Beim erfindungsgemäßen heterogenen Aufbau hingegen weisen die mindestens zwei Nanopartikelstrukturen 11 , 12 unterschiedliche Materialien auf, die sich in der Höhe der Austrittsarbeiten für Elektronen und/oder in der Höhe der jeweiligen Bandlücke voneinander unterscheiden
Zunächst soll der erfindungsgegenständliche heterogene Aufbau diskutiert werden. Gemäß Ausführungsbeispielen können die ersten Nanopartikel 111 , 112, H 3 der ersten Na- nopartikelstruktur 11 und die zweiten Nanopartikel 12i, 122, 123 der zweiten Nanopartikel- struktur 12 jeweils unterschiedliche Materialien aus der chemischen Hauptgruppe VI, die auch als Chalkogene bezeichnet werden, aufweisen. Hierzu zählen Sauerstoff (O), Schwefel (S), Selen (Se), Tellur (Te), sowie Polonium (Po) und Livermorium (Lv). Beispielsweise könnte also die erste Nanopartikelstruktur 11 eine Vielzahl von Nanopartikeln 11 -1, 112, 113 aufweisen, die mindestens ein erstes Chalkogen-Eiement aufweisen. Die zweite Nanopartikelstruktur 12 könnte eine Vielzahl von Nanopartikeln 12i, 122, 123 aufweisen, die mindestens ein zweites, von dem ersten Chalkogen-Eiement unterschiedliches, Chalkogen-Eiement aufweisen. .
Chalkogene können Verbindungen mit weiteren Elementen eingehen. Diese Verbindungen werden auch als Chalkogenide bezeichnet. Beispielsweise können Übergangsmetalle an Chalkogen-Elemente gebunden werden. Diese Chalkogenide weisen Halbleitereigenschaften auf.
Gemäß einem solchen Ausführungsbeispiel können also beispielsweise die ersten Nanopartikel 111 , 112, 113 der ersten Nanopartikelstruktur 11 und die zweiten Nanopartikel 12i, 122, 123 der zweiten Nanopartikelstruktur 12 jeweils unterschiedliche Materialverbindungen mit jeweils mindestens einem Element der chemischen Hauptgruppe VI und mindestens einem Übergangsmetall aufweisen.
Chalkogenide wiederum können unterteilt werden in Oxide, Sulfide, Selenide und Tel- luride und bilden je nach Bindungspartner gasförmige (wie zum Beispiel Kohlenstoffdioxid) oder meist feste Stoffe. Gemäß einem solchen Ausführungsbeispiel könnten beispielsweise die ersten Nanoparti- kel 1 11, 112, 113 der ersten Nanopartikelstruktur 11 und die zweiten Nanopartikel 12i, 122, 123 der zweiten Nanopartikelstruktur 12 jeweils unterschiedliche Materialverbindungen mit jeweils einer oxidischen Materialverbindung aus Sauerstoff und einem Übergangsmetall aufweisen. Der eingangs erwähnte heterogene Aufbau sieht dabei vor, dass die erste und die zweite Nanopartikelstruktur 1 1 , 12 jeweils unterschiedliche oxidische Chalkogenide aufweisen kann. Beispielsweise könnten die erste und die zweite Nanopartikelstruktur 11 , 12 jeweils unterschiedliche oxidische Chalkogenide aus der Gruppe von ZnO, "PO2,
M0O3, WO3 und Fe2<33 aufweisen.
Alternativ zu den oxidischen Chalkogeniden könnten sulfidische Chalkogenide vorgesehen sein. Gemäß einem derartigen Ausführungsbeispiel könnten beispielsweise die ersten Nanopartikel 111, 112, 113 der ersten Nanopartikelstruktur 11 und/oder die zweiten Nanopartikel 12i, 122, 123 der zweiten Nanopartikelstruktur 12 eine sulfidische Materialverbindung aus Schwefel und einem Übergangsmetall aufweisen.
Sowohl sulfidische Chalkogenid-Verbindungen mit Schwefel als auch oxidische Chalko- genid-Verbindungen mit Sauerstoff sind im Vergleich zu Chalkogenid-Verbindungen mit Selen oder Tellur für manche Anwendungen vorteilhaft, da letztere Chalkogenid-Verbindungen giftig sind.
Alternativ zu den beschriebenen Chalkogeniden können die erste und zweite Nanopartikelstruktur 11 , 12 als ein lll-V Verbindungshalbleiter ausgestaltet sein. Gemäß einem derartigen Ausführungsbeispiel könnten beispielsweise die ersten Nanopartikel 11 i, 112, H3 der ersten Nanopartikelstruktur 11 ein Material aus der chemischen Hauptgruppe III aufweisen, und die zweiten Nanopartikel 12i, 122, 123 der zweiten Nanopartikelstruktur 12 könnten ein Material aus der chemischen Hauptgruppe V aufweisen, oder anders herum. Auch dies entspräche einem heterogenen Aufbau.
Davon zu unterscheiden ist der homogene Aufbau der Nanopartikelstrukturen 11 , 12. Hierbei weisen die ersten Nanopartikel 1 11 , 1 12, H3 der ersten Nanopartikelstruktur 11 und die zweiten Nanopartikel 12i, 122, 123 der zweiten Nanopartikelstruktur 12 jeweils das gleiche Material, jedoch mit einer unterschiedlichen Dotierung, auf. Dies ist im unteren Zweig von Figur 7 gezeigt.
Beispielsweise könnten bei einem homogenen Aufbau die ersten Nanopartikel 111 , 112,
113 der ersten Nanopartikelstruktur 11 und die zweiten Nanopartikel 12i, 122, 123 der zweiten Nanopartikelstruktur 12 jeweils das gleiche Material aufweisen, welches ein Element der chemischen Hauptgruppe IV enthält. Hierzu zählen unter anderem Kohlenstoff (C), Silizium (Si) oder Germanium (Ge). Prinzipiell könnten hierbei unterschiedliche
Dotierungen durch Dotierstoffe vorgesehen sein. Darüber hinaus wäre es denkbar, die Nanopartikelstrukturen 11 , 12 zusätzlich mit Umhüllungen, beispielsweise aus Polymeren, zu versehen, um diese vor äußeren Einflüssen (z.B. Oxidation) zu schützen.
Nachfolgend soll die erfindungsgemäße Sensoranordnung 60 mit dem nanopartikelbasier- ten Halbleiter-Strukturelement 10 nochmals in anderen Worten beschrieben und das erfinderische Konzept nochmals zusammengefasst werden:
Es sollen Nanopartikelstrukturen realisiert werden, die sich durch die Generierung von intrinsisch nichtlinear verstärkten elektrischen Signalen auszeichnen, sobald entsprechenden Moleküle an der Oberfläche der Nanopartikel (NP) angelagert sind. Die nichtlineare Verstärkung soll es ermöglichen auch bei sehr geringer Konzentration der Moleküle ein Signal zu erzielen, wobei keine Proportionalität zur Konzentration vorliegen muss. Idealerweise soll bei Erreichen eines (sehr niedrigen) Schwellenwertes eine Signalkaskade starten und in einen definierten maximalen Signalpeak enden. Dies wäre vorteilhaft verwendbar in der Sensorik. Mit dieser Charakteristik würden die Strukturen aber auch das Verhalten von biologischen Nervenzellen nachbilden können.
Die Erfindung bezieht sich unter anderem auf den Aufbau von dreidimensionalen Nanopartikelstrukturen, beispielsweise unter Verwendung von Nanopartikeln gemäß der in Figur 7 abgebildeten Übersicht. Demnach kann beispielsweise unterschieden werden in: a) Heterogene Elemente: unterschiedliche Halbleitermaterialien z.B. aus der Verbindungsgruppe Chalcogenide (inklusive der oxidischen Verbindungen) oder z.B. der Ill-V-Verbindungshalbleiter. Die halbleitenden Materialien unterscheiden sich in der Höhe der Austrittsarbeiten für Elektronen und der Höhe der Bandlücken. Ohne Beeinflussung der grundlegenden Material-Dotierung erhält man im Kontaktbereich der Nanopartikel elektronische Übergänge mit pn- oder np-Charakteristik. Dies ist die Basis für elektronische Bauelemente wie z.B. Dioden und Transistoren. oder b) Homogene Elemente: Gleiche Halbleiter-Elemente aber unterschiedliche Dotierung z.B. Silizium oder Germanium. Im Kontaktbereich der Nanopartikel erhält man elektronische Übergänge mit pn- oder np-Charakteristik. Dies ist die Basis für elektronische Bauelement wie z.B. Dioden und Transistoren. Durch den Aufbau mit Nanopartikeln erhält man diffusionsoffene Schichten, in die Moleküle eindiffundieren können.
Eine Form der Realisierung sind horizontal geschichtete Nanopartikel mit pn-Übergängen im Kontaktbereich der unterschiedlichen Materialien (Figur 5A). Mit zwei Schichten erreicht man eine Dioden-Charakteristik. Es können aber auch mehr als zwei Lagen geschichtet sein. Bei dreifach-Schichtung ist damit ein Transistoraufbau möglich (npn, pnp). Eine Vierfach-Schichtung liefert prinzipiell den Aufbau von Thyristoren.
Chalcogenide sind die Verbindungen von Übergangsmetallen mit Elementen der Gruppe VI (O, S, Se, Te). Verbindungen, welche für diese Erfindung ins Auge gefasst werden können sind z.B.: Ti02, W03, Mo03, ZnO, Fe203, WS2, MoS2. Diese Verbindungen besitzen die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern.
Bei einem Ill-V-Verbindungshalbleiter handelt es sich um Verbindungen von Materialien der chemischen Hauptgruppe III (Erdmetalle/Borgruppe) und V (Stickstoff-Phosphor- Gruppe), deren Kombination ebenfalls die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern besitzen.
Physikalische Grundlagen
• Angelagerte Moleküle beeinflussen lokal die Raumladungszone und somit die Dioden- oder T ransistor-Charakteristik
• Raumladungszone erstreckt sich, je nach Ladungsträgerdichte, über/durch gesamtes Nanopartikel und beschränkt sich nicht nur auf die Randzonen der Partikel
• Kombination von Materialien mit unterschiedlichen Austrittsarbeiten und Bandlücken
o pn-Übergang unter Nutzung der grundlegenden Material-Dotierung o Generierung eines elektrisches Signals zur direkten Auswertung o Zwischen Nanopartikeln elektrische Übergänge mit Dioden-Charakteristik o Angelagerte Moleküle beeinflussen lokal Raumladungszone und somit Dioden-Charakteristik
o Raumladungszone erstreckt sich, je nach Ladungsträgerdichte, über/durch gesamtes Nanopartikel
Ausführungsbeispiele: a) Horizontal geschichtete Nanopartikel mit pn-Übergängen in Kontaktebene b) Kombination von nur oxidischen Materialien, um Ausheizprozesse in sauerstoffhaltiger Atmosphäre nutzen zu können
• Halbleiterschicht mit Nanopartikeln aus z.B. Ti02, W03, Mo03l Rq2q3 c) Erzeugung von WO3 aus WS2-Flakes mit nachfolgender Oxidation · Dadurch flache WOa-Bedeckung von kugeligen Ti02-Nanopartikeln d) Nicht-oxidische Kombination mit Halbleiterschicht WS2, MoS2l FeS2 e) Kombination aus oxidischen und nicht-oxidischen Materialien
Entsprechend den Figuren 6A bis 6D sind verschieden strukturierte Ausführungen möglich, um Zugang von Molekülen zu den entsprechenden pn-Übergängen zu ermöglichen: Fig. 6A. Unstrukturierte Flächen im Sensorbereich; Kontakt (58) sollte als poröse
Fläche ausgeführt sein (z.B. Metall-Nanopartikel, ITO-NP oder FTO-NP)
Fig. 6B. Strukturierte Ankontaktierung (58) auf geschlossenen Schichten 13, 14, 15;
Kontakt (56) muss nun nicht mehr nanoporös ausgeführt sein
Fig. 6C. Strukturierung Topelektrode (56) und strukturierte oberste Halbleiterschicht
(S); Halbleiter-Schicht 15 muss nun nicht mehr nanoporös ausgeführt sein
Fig. 6D. Komplette Strukturierung bis auf den unteren Kontakt (52); Halbleiter- Schichten 15 und 13 müssen nun nicht mehr nanoporös ausgeführt sein
Die Erfindung schafft selbstorganisierte pn-Übergänge mit direktem Kontakt zu den zu untersuchenden Medien. Dies ermöglicht einen kostengünstigen Aufbau bei hoher Empfind- lichkeit, sowie eine große aktive, innere Oberfläche durch Verwendung von Nanopartikeln. Zudem wird ein großflächiger Aufbau auf beliebigen Substraten möglich. Ferner können die im allgemeinen hohen Prozessierungstemperaturen ( 600 °C) für stöchiometrische Verbindungen werden. Einfache Kombination von im Allgemeinen nicht kompatiblen Verbindungen aufgrund nicht-kompatibler Herstellungsprozesse (z.B. oxidische Source/Drain- schichten mit dazwischen platzierter sulfidischer Basis aus z.B. M0S2) werden möglich.
Wichtige Anwendungen können unter anderem sein: a) Sensorik zum empfindlichen Nachweis von Verunreinigungen in Luft und Was ser; Überprüfung von Einhaltung von Grenzwerten. b) Basiselement einer neuromorphen Schaltung. Durch An- oder Abreicherung von Molekülen kann eine permanente Änderung des pn-Überganges bewirkt werden. Die dazu notwendige elektrochemische Reaktion wird durch das Anlegen einer Spannung gesteuert.
Die folgenden beispielhaften Aufzählungen können denkbare Ausführungsformen sein:
1. 3-dimensional angeordnete Nanopartikelstrukturen
2. Ziel: nichtlinear verstärkte elektrische Signale
3. Realisierung von elektronische Bauelement wie z.B. Dioden und Transistoren
4. Aufbau der Strukturen unter Verwendung von
4.1 Heterogenen Elementen
4.2. Homogenen Elementen
5. diffusionsoffene Schichten
6. Horizontal geschichtete Nanopartikel mit pn-Übergängen in Kontaktebene
6.1. Großflächige Herstellung möglich auf beliebigen Substraten
6.2. Verwendung von stöchiometrischen Verbindungen auch bei niedriger Herstel- lungstemperatur( s 450°C)
7. Mögliche Anwendungen:
7.1. Verwendung als Sensor
7.2. Nachbildung der Charakteristik von biologischer Nervenzelle Beispielhafte Ziel-Anwendungen können u.a. sein:
• Verunreinigung von wss. Medien
o Nitrat, Phenole, Phosphate
o Organische Bestandteile
o Fluorverbindungen
• Gase von Interesse;
o oxidierend: S02, 03
o reduzierend: Formaldehyd, NH3, H2S, Methan
o neutral: C02
Eine weitere beispielhafte Umsetzung kann u.a. vorsehen:
• Nichtlineare Änderung der Leitfähigkeit unter Beaufschlagung mit Analyten
o Horizontal geschichtete Nanopartikel mit Heteroübergängen in Kontaktebene ■ Zunächst nur Kombination von oxidischen Materialien, um Ausheizprozesse in Atmosphäre nutzen zu können
« Sensorschicht mit Nanopartikeln aus Ti02, W03, Mo03, Fe203 » Erzeugung von W03 aus WS2-Flakes mit nachfolgender Oxidation " Erzeugung von W03 aus WS2-Flakes mit nachfolgender Oxidation • Dadurch eventuell flache W03-Bedeckung von kugeligen Ti02-NP
■ Nicht-oxidische Kombination mit Sensorschicht WS2, MoS2, FeS2 o Sensorschicht aus Abscheidung von MoS2 und WS2
Einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Halbleiter-Strukturelements 10 führen zu folgenden Vorteilen:
• Größere Empfindlichkeit durch nicht-lineares Sensorsignal
• Selbstorganisierende Materialkompositionen mit Dioden- und Transistoreigenschaften
• Basierend auf Chalcogenid-Halbleiter-Nanopartikeln (z.B. W03, Ti02l ZnO, WS2, MoS2, Fe203)
• Diffusionsoffene Elektroden durch Nanopartikel
Nachfolgend werden beispielhafte und nicht-limitierende Ausführungsbeispiele für nano- partikelbasierte Halbleiter-Strukturelemente genannt, die mit den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen kombinierbar sind:
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird ein nanopartikelbasiertes Halbleiter-Strukturelement (10) vorgeschlagen, aufweisend: eine erste Nanopartikelstruktur (11) mit einer Vielzahl von ersten Nanopartikeln (111 , 112, 113), eine zweite Nanopartikelstruktur (12) mit einer Vielzahl von zweiten Nanopartikeln (12i, 122, 123), wobei die erste Nanopartikelstruktur (11) und die zweite Nanopartikelstruktur (12) direkt aneinander angrenzend angeordnet sind, sodass zumindest ein Teil der ersten Nanopartikel (11 i, 1 12, 113) und zumindest ein Teil der zweiten Nanopartikel (12i, 122, 123) in direktem Kontakt miteinander sind, und wobei sich an den jeweiligen Kontakipunkten von ersten und zweiten Nano- partikeln (111, 112, 113, 12i, 122, 123) ein p-n-Übergang mit einer vorbestimmten
Raumladungszone ausbildet.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, welches insbesondere mit dem ersten Ausführungsbeispiel kombinierbar ist, kann die erste Nanopartikelstruktur (11) und/oder die zweite Nanopartikelstruktur (12) einen diffusionsoffenen Aufbau aufweisen, in welchen Moleküle aus der Umgebung eindiffundieren können.
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, welches insbesondere mit dem zweiten Ausführungsbeispiel kombinierbar ist, kann das nanopartikelbasierte Halbleiter-Strukturelement (10) derart ausgestaltet sein, dass sich die vorbestimmte Raumladungszone und somit ein vorbestimmter Leitwert des nanopartikelbasierten Halbleiter-Strukturelements (10) verändert, wenn sich eindiffundierte Moleküle an der Oberfläche von in der jeweiligen Nanopartikelstruktur (11 , 12) enthaltenen Nanopartikeln (11 i, 112, 113, 12i, 122, 123) anlagern.
Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, welches insbesondere mit einem der zweiten oder dritten Ausführungsbeispiele kombinierbar ist, kann das Halbleiter-Strukturelement (10) ferner eine Auswertevorrichtung aufweisen, wobei die erste und/oder die zweite Nanopartikelstruktur (11 , 12) eine elektrochemische Sensorstruktur bereitstellt, wobei Moleküle eines Analyten in diese elektrochemische Sensorstruktur eindiffundieren und sich an der Oberfläche von darin befindlichen Nanopartikeln (111 , 112, 113, 12i, 122, 123) anlagern können, um die vorbestimmte Raumladungszone und somit einen vorbestimmten Leitwert des nanopartikelbasierten Halbleiter-Strukturelements (10) zu verändern, und wobei die Auswertevorrichtung ausgestaltet ist, um basierend auf der Änderung des Leitwerts den Analyten zu bestimmen.
Gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, welches insbesondere mit einem der ersten bis vierten Ausführungsbeispiele kombinierbar ist, kann das nanopartikelbasierte Halbleiter-Strukturelement (10) ausgestaltet sein, um ein Signal mit intrinsisch nicht-linearer Verstärkung zu erzeugen.
Gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel, welches insbesondere mit einem der ersten bis fünften Ausführungsbeispiele kombinierbar ist, können die ersten Nanopartikel (111,
112, 113) der ersten Nanopartikelstruktur (11) und die zweiten Nanopartikel (12i, 122, 12s) der zweiten Nanopartikelstruktur (12) jeweils unterschiedliche Materialien aufweisen, die sich in der Höhe der Austrittsarbeiten für Elektronen und/oder in der Höhe der jeweiligen Bandlücke voneinander unterscheiden.
Gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel, welches insbesondere mit einem der ersten bis sechsten Ausführungsbeispiele kombinierbar ist, können die ersten Nanopartikel (11 i, 112, 113) der ersten Nanopartikelstruktur (1 1) und die zweiten Nanopartikel (12i, 122, 123) der zweiten Nanopartikelstruktur (12) jeweils unterschiedliche Materialien aus der chemischen Hauptgruppe VI, die auch als Chalkogene bezeichnet werden, aufweisen.
Gemäß einem achten Ausführungsbeispiel, welches insbesondere mit einem der ersten bis siebten Ausführungsbeispiele kombinierbar ist, können die ersten Nanopartikel (111,
112, 113) der ersten Nanopartikelstruktur (11) und die zweiten Nanopartikel (12i, 1 22, 123) der zweiten Nanopartikelstruktur (12) jeweils unterschiedliche Materialverbindungen mit jeweils mindestens einem Element der chemischen Hauptgruppe VI und mindestens einem Übergangsmetall aufweisen, wobei diese Materialverbindungen auch als Chalko- genide bezeichnet werden und die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern aufweisen.
Gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel, welches insbesondere mit dem achten Ausführungsbeispiel kombinierbar ist, können die ersten Nanopartikel (111, H2, 113) der ersten Nanopartikelstruktur (11) und/oder die zweiten Nanopartikel (12i, 122, 12s) der zweiten Nanopartikelstruktur (12) eine oxidische Materialverbindung aus Sauerstoff und einem Übergangsmetall aufweisen.
Gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel, welches insbesondere mit dem achten oder neunten Ausführungsbeispiel kombinierbar ist, können die ersten Nanopartikel (111, 112, 11 ) der ersten Nanopartikelstruktur (1 1) und/oder die zweiten Nanopartikel (12i, 12a, 123) der zweiten Nanopartikelstruktur (12) eine sulfidische Materialverbindung aus Schwefel und einem Übergangsmetall aufweisen.
Gemäß einem elften Ausführungsbeispiel, welches insbesondere mit einem der ersten bis sechsten Ausführungsbeispiele kombinierbar ist, können die ersten Nanopartikel (111,
112, 113) der ersten Nanopartikelstruktur (1 1) ein Material aus der chemischen Hauptgruppe III aufweisen, und wobei die zweiten Nanopartikel (12i, 122, 123) der zweiten Nanopartikelstruktur (12) ein Material aus der chemischen Hauptgruppe V aufweisen.
Gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel, welches insbesondere mit einem der ersten bis fünften Ausführungsbeispiele kombinierbar ist, können die ersten Nanopartikel (111 ,
112, 113) der ersten Nanopartikelstruktur (11) und die zweiten Nanopartikel (12i, 122, 123) der zweiten Nanopartikelstruktur (12) jeweils das gleiche Material, jedoch mit einer unterschiedlichen Dotierung, aufweisen.
Gemäß einem dreizehnten Ausführungsbeispiel, welches insbesondere mit dem zwölften Ausführungsbeispiel kombinierbar ist, kann das gleiche Material ein Element der chemischen Hauptgruppe IV enthalten.
Gemäß einem vierzehnten Ausführungsbeispiel, welches insbesondere mit einem der ersten bis dreizehnten Ausführungsbeispiele kombinierbar ist, können die erste Nanopartikelstruktur (11) und die zweite Nanopartikelstruktur (12) jeweils als eine Nanopartikelschicht ausgeführt sein, wobei diese Nanopartikelschichten in einem Schichtstapel (50) übereinander angeordnet sind.
Gemäß einem fünfzehnten Ausführungsbeispiel, welches insbesondere mit dem vierzehnten Ausführungsbeispiel kombinierbar ist, kann das Halbleiter-Strukturelement (10) ferner eine dritte Nanopartikelschicht (13) mit einer Vielzahl von dritten Nanopartikeln (13i, 132,
13s) aufweisen, wobei die zweite Nanopartikelschicht (12) zwischen der ersten und der dritten Nanopartikelschicht (11 , 13) angeordnet ist, und wobei sich an den jeweiligen Kontaktpunkten von zweiten und dritten Nanopartikeln (12i, 122, 12s, 13i, 132, 133) ein zweiter p-n-Übergang mit einer vorbestimmten Raumladungszone ausbildet.
Gemäß einem sechzehnten Ausführungsbeispiel, welches insbesondere mit dem vierzehnten oder fünfzehnten Ausführungsbeispiel kombinierbar ist, kann zumindest eine der ersten, zweiten und dritten Nanopartikelschichten (11 , 12, 13) mittels entsprechender Strukturierung freigelegt sein, sodass sich in der Umgebung befindliche Moleküle an die jeweils freigelegte Nanopartikelschicht (11 , 12, 13) anlagern können.
Gemäß einem siebzehnten Ausführungsbeispiel, welches insbesondere mit einem der ersten bis sechzehnten Ausführungsbeispiele kombinierbar ist, kann das nanopartikelba- sierte Halbleiter-Strukturelement (10) eine Diodenstruktur mit einem p-n-Übergang, oder eine Transistorstruktur mit zwei p-n-Übergängen, oder eine Thyristorstruktur mit drei p-n- Übergängen bilden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Patentansprüche
1. Sensoranordnung (60) aufweisend: ein nanopartikelbasiertes Halbleiter-Strukturelement (10) mit einer ersten Nanopartikelstruktur (11) mit einer Vielzahl von ersten Nanopartikeln (11 i, 112, 113), und einer zweiten Nanopartikelstruktur (12) mit einer Vielzahl von zweiten Nanopartikeln (12i, 122, 123), wobei das nanopartikelbasierte Halbleiter-Strukturelement (10) einen heterogenen Aufbau aufweist, bei dem die ersten Nanopartikel (11 i, 112, 113) der ersten Nanopartikelstruktur (11) und die zweiten Nanopartikel (12i, 122, 12s) der zweiten Nanopartikelstruktur (12) jeweils unterschiedliche Materialien aufweisen, die sich in der Höhe der Austrittsarbeiten für Elektronen und/oder in der Höhe der jeweiligen Bandlücke voneinander unterscheiden, wobei die erste Nanopartikelstruktur (11) und die zweite Nanopartikelstruktur (12) direkt aneinander angrenzend angeordnet sind, sodass zumindest ein Teil der ersten Nanopartikel (111, 112, 1-13) und zumindest ein Teil der zweiten Nanopartikel (12i, 122, 123) in direktem Kontakt miteinander sind, und wobei sich an den jeweiligen Kontaktpunkten von ersten und zweiten Nanopartikeln (111, 112, 13,
12i, 122, 123) ein p-n-Übergang mit einer vorbestimmten Raumladungszone ausbildet, wobei die erste Nanopartikelstruktur (11) und die zweite Nanopartikelstruktur (12) jeweils als eine Nanopartikelschicht ausgeführt sind, wobei diese Nanopar- tikelschichten in einem Schichtstapel (50) horizontal übereinander geschichtet angeordnet sind, wobei der Schichtstapel (50) auf einem Substrat (51) angeordnet ist, und wobei zwischen dem Substrat (51 ) und dem Schichtstapel (50) eine elektrisch leitfähige Beschichtung (52) zur Ankontaktierung des nanopartikelbasierten Halbleiter-Strukturelements (10) vorgesehen ist, und wobei auf der dem Substrat (51) gegenüberliegenden Seite des Schichtstapels (50) eine weitere elektrisch leitfähige Beschichtung (56) zur Ankontaktierung des nanopartikelbasierten Halbleiter-Strukturelements (10) vorgesehen ist.
2. Sensoranordnung (60) gemäß Anspruch 1 , wobei die erste Nanopartikelstruktur (11) und/oder die zweite Nanopartikelstruktur (12) einen diffusionsoffenen Aufbau aufweisen, in welchen Moleküle aus der Umgebung eindiffundieren können.
3. Sensoranordnung (60) gemäß Anspruch 2, wobei sich die vorbestimmte Raumladungszone und somit ein vorbestimmter Leitwert des nanopartikelbasierten Halbleiter-Strukturelements (10) verändert, wenn sich eindiffundierte Moleküle an der Oberfläche von in der jeweiligen Nanopartikelstruktur (11 , 12) enthaltenen Nano- partikeln (111 , 112, 113, 12i, 122, 12a) anlagern.
4. Sensoranordnung (60) gemäß Anspruchs oder 3, ferner aufweisend eine Auswertevorrichtung, wobei die erste und/oder die zweite Nanopartikelstruktur (11 , 12) eine elektrochemische Sensorstruktur bereitstellt, wobei Moleküle eines Analyten in diese elektrochemische Sensorstruktur eindiffundieren und sich an der Oberfläche von darin befindlichen Nanopartikeln (111, 112, 113, 12i, 122, 123) anlagern können, um die vorbestimmte Raumladungszone und somit einen vorbestimmten Leitwert des nanopartikelbasierten Halbleiter-Strukturelements (10) zu verändern, und wobei die Auswertevorrichtung ausgestaltet ist, um basierend auf der Änderung des Leitwerts den Analyten zu bestimmen.
5. Sensoranordnung (60) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das nanoparti- kelbasierte Halbleiter-Strukturelement (10) ausgestaltet ist, um aufgrund eines sprunghaften Übergangs zwischen den Leitungsbändern (Ec) der ersten und zweiten Nanopartikelstrukturen (11 , 12) ein Signal mit intrinsisch nicht-linearer Verstärkung zu erzeugen.
6. Sensoranordnung (60) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die ersten Na- nopartikel (111 , 112, 113) der ersten Nanopartikelstruktur (11) und die zweiten Na- nopartikel (12i, 122, 123) der zweiten Nanopartikelstruktur (12) jeweils unterschiedliche Materialien aus der chemischen Hauptgruppe VI, die auch als Chalkogene bezeichnet werden, aufweisen.
7. Sensoranordnung (60) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die ersten Na- nopartikel (111 , 112, 113) der ersten Nanopartikelstruktur (11) und die zweiten Nanopartikel (12i , 122, 123) der zweiten Nanopartikelstruktur (12) jeweils unterschiedliche Materialverbindungen mit jeweils mindestens einem Element der chemischen Hauptgruppe VI und mindestens einem Übergangsmetall aufweisen, wobei diese Materialverbindungen auch als Chalkogenide bezeichnet werden und die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern aufweisen.
8 Sensoranordnung (60) gemäß Anspruch 7, wobei die ersten Nanopartikel (111,
1 2, H 3) der ersten Nanopartikelstruktur (11) und/oder die zweiten Nanopartikel (12i, 122, 123) der zweiten Nanopartikelstruktur (12) eine oxidische Materialverbindung aus Sauerstoff und einem Übergangsmetall aufweisen.
9. Sensoranordnung (60) gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die ersten Nanopartikel (1 11 , 112, 113) der ersten Nanopartikelstruktur (11) und/oder die zweiten Nanopartikel (12i, 122, 123) der zweiten Nanopartikelstruktur (12) eine sulfidische Materialverbindung aus Schwefel und einem Übergangsmetall aufweisen.
10. Sensoranordnung (60) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die ersten Nanopartikel (111 , 112, 113) der ersten Nanopartikelstruktur (11) ein Material aus der chemischen Hauptgruppe III aufweisen, und wobei die zweiten Nanopartikel (12i, 122, 123) der zweiten Nanopartikelstruktur (12) ein Material aus der chemischen Hauptgruppe V aufweisen.
11. Sensoranordnung (60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die weitere elektrisch leitfähige Beschichtung (56) als eine Nanopartikelstruktur ausgeführt ist.
12. Sensoranordnung (60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Aussparungen in die weitere elektrisch leitfähige Beschichtung (56) strukturiert sind, durch die in der Umgebung befindliche Moleküle in die darunterliegende Nanopartikelstruktur gelangen können.
13. Sensoranordnung (60) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine dritte Nanopartikelschicht (13) mit einer Vielzahl von dritten Nanopar- tikeln (13i, 132, 133), wobei die zweite Nanopartikelschicht (12) zwischen der ersten und der dritten Nanopartikelschicht (11 , 13) angeordnet ist, und wobei sich an den jeweiligen Kontaktpunkten von zweiten und dritten Nanopartikeln (12i, 122,
12s, 13-1, 132, 133) ein zweiter p-n-Übergang mit einer vorbestimmten Raumladungszone ausbildet.
14. Sensoranordnung (60) gemäß Anspruch 13, wobei zumindest eine der ersten, zweiten und dritten Nanopartikelschichten (11 , 12, 13) mittels entsprechender Strukturierung freigelegt ist, sodass sich in der Umgebung befindliche Moleküle an lateralen Seitenwänden der jeweils freigelegten Nanopartikelschicht (11 , 12, 13) anlagern können.
15. Sensoranordnung (60) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das nanopar- tikelbasierte Halbleiter-Strukturelement (10) eine Diodenstruktur mit einem p-n- Übergang, oder eine Transistorstruktur mit zwei p-n-Übergängen, oder eine Thyristorstruktur mit drei p-n-Übergängen bildet.
16. Sensoranordnung (60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Vielzahl von ersten Nanopartikeln (111 , 1 12, 113) und die Vielzahl von zweiten Na- nopartikeln (12i, 122, 12s) jeweils eine Größe zwischen 1 nm und 100 nm aufweisen.
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