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Nitridische Nanosensoren
Patryk Kusch Seminarvortrag 08.07.2008
AG Kneissl
Betreuer: Thomas Bruhn
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Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 3
2 Grundlagen 3
2.1 Der Mensch als Vorbild 3
2.2 Sensortypen und Messmöglichkeiten 4
2.3 Klassische Sensoren 5
3 Das physikalische Prinzip und Beispiele nitridischer Nanosensoren 7
3.1 Der Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transisitor (MOSFET) 7
3.2 Die Eigenschaften der Nitride 9
3.3 Die Wurzit-Struktur 9
3.4 Der HEMT 11
3.5 Die Druckmessung 12
3.6 Die Gasdetektion mit einem HEMT 13
3.7 Die Molekül-Detektion 14
3.8 Der Penicillin-Detektor 15
3.9 Der UV-Detektor 16
4 Zusammenfassung 18
3
1 Einleitung
Heutzutage verwenden wir Sensoren verschiedenster Art nicht nur in physikalischen Versuchen,
sondern auch im Alltag. So kennen wir alle automatische Türen, die sich öffnen, sobald ein Sensor
registriert, dass sich jemand nähert. Als weiteres Beispiel ist das Auto zu nennen. Dieses beinhaltet
viele Sensoren die vor allem der Sicherheit dienen, wie den automatischen Abstandshalter, ABS, oder
Kollisionssensoren, sowie mittlerweile Infrarot CCD’s zur besseren Sicht in der Nacht.
Dabei liegt allen Sensortypen ein Prinzip zu Grunde: Es werden physikalische Größen gemessen und
in elektrische Signale umgewandelt.
Die Forschung ist nicht nur bestrebt die Sensoren, welche wir nutzen weiterzuentwickeln, sondern
neue Sensortypen zu entwickeln. Dabei ist der Mensch das große Vorbild. Man will als Beispiel die
menschliche Nase imitieren, welche tausende verschieden Aromen unterscheiden kann. Ziel ist es
also Sensor Arrays zu entwickeln, welche nicht nur eine Größe messen können, sondern gleichzeitig
mehrere physikalische Größen wahrnehmen, um z.B. die Luftzusammensetzung mit einem Sensor
Array messen zu können. Dabei soll die Halbleitertechnik zu tragen kommen, vor allem soll
verdeutlicht werden welche Vorteile die nitridischen Sensoren im Vergleich zu den klassischen
Sensoren (aus Silicium oder GaAs) haben.
2 Grundlagen
Ein Sensor ist, wie schon in der Einleitung erwähnt, ein Gerät, welches eine physikalische Größe
wahrnimmt und diese in ein elektrisches Signal umwandelt. Die erstens Sensoren, welche um 1970
entwickelt wurden dienten aber nicht der Detektion, sie sollten Maschinen (welche immer komplexer
wurden) ermöglichen sich selbständig an der Umwelt zu orientieren. Als Beispiel ist der Mars Roboter
PathFinder zu nennen, welcher selber erkennen musste, ob sich ein Hindernis vor ihm befindet und
gegeben falls auszuweichen. Folglich sind Sensoren technische Sinnesorgane. In der heutigen Zeit
sollen sie aber nicht nur Maschinen die Orientierung ermöglichen, viel mehr sollen sie den Menschen
den Alltag erleichtern (automatische Tür), uns vor Gefahren schützen (Gasdetektor) und als Ziel in
der Zukunft Moleküle und damit z.B. Krankheiten erkennen können (DNA- und Antikörper-
Detektion). Dadurch ergeben sich auch die Voraussetzungen eines Sensors: Dieser soll klein, schnell
und vor allem preisgünstig sein
2.1 Der Mensch als Vorbild
Abb. 1 Vergleich Mensch – Maschine
Mensch Maschine
4
Abb.1 zeigt das Prinzip eines Sensors im Vergleich zum Vorbild Mensch. Wie man sieht sendet die
Umwelt einen Reiz, als Beispiel Licht. Dieser wird im Menschlichen Körper durch die Sinneszelle
wahrgenommen (im Fall von Licht das Sinnesorgan Auge). Der Reiz wird anschließend schon durch
die Sinneszelle in ein elektrisches Signal umgewandelt. Der Sinnesnerv leitet über eine potential
Differenz das Signal weiter. Im Gehirn erfolgt dann die Analyse und die Darstellung; wir sehen.
Der Sensor funktioniert ähnlich: Der Reiz wird durch einen Rezeptor wahrgenommen und der
Transduktor wandelt diesen in ein elektrisches Signal um. Über eine Analogschaltung gelangt das
elektrische Signal zum Computer. Dort wird das Signal verarbeitet und auf dem Monitor dargestellt.
Die Physik, die für die verschiedenen Sensorapplikationen wichtig ist, findet im Rezeptor und
Transduktor statt. Im Rezeptor muss die physikalische Größe, welche gemessen werden soll
wahrgenommen werden. Dies erweist sich nicht immer als leicht vor allem nicht in der
Moleküldetektion. Im Transduktor wird diese in ein elektrisches Signal umgewandelt, um es möglich
zu machen diese mit einem Computer auszuwerten. Dies ist ebenfalls nicht leicht, denn die Bauteile
müssen sehr Sensitiv sein und geringste Änderungen im Eingangssignal realisieren. Die genaue
Funktionsweise wird im Kapitel „Das physikalische Prinzip“ beschrieben.
2.2 Sensortypen und Messmöglichkeiten
In der Sensorphysik unterscheidet man grundsätzlich zwischen direkten, indirekten, passiven und
aktiven Sensoren. Die direkten Sensoren messen eine physikalische Größe und wandeln diese direkt
in elektrischen Strom um (z.B. Photodiode). Bei den indirekten Sensoren wird die physikalische Größe
in mehreren Stufen in elektrischen Strom umgewandelt. Die passiven Sensoren generieren den
Strom ohne eine äußere Stromquelle (Photodiode); die aktiven Sensoren brauchen eine äußere
Stromquelle mit einem Schaltkreis. Dabei wird nicht die Änderung des elektrischen Stroms gemessen
(Feld Effekt Transistor FET).
Das interessante ist aber was man mit den Sensoren alles messen kann:
Was Wie
Abb. 2 Beispiele verschiedener Messmöglichkeiten und der dazugehörige physikalische Effekt
Wie man in Abb. 2 sieht gibt es unterschiedliche Messmöglichkeiten, wie Druck, Gas, Enzyme,
Temperatur usw. Es bleibt zu erwähnen, dass dies nur einige Beispiele sind natürlich gibt es weitaus
mehr Größen, welche man messen kann. In den blauen Rechteck sind die Effekte aufgelistet, welche
man zur jeweiligen Umwandlung in elektrischen Strom nutzt. Die grün markierten Effekte (pyro
piezoelektrischer Effekt) werden im Unterkapitel
markierte Katalyse im Unterkapitel
2.3 Die klassischen Sensoren
Nun werden zwei Beispiele, nämlich eines Gassensors und eines Drucksensors etwas genauer
vorgestellt.
Der Drucksensor nutzt den piezoelektrischen Effekt. Ein typisches Material für die Detektor ist ein
Quarz (����).
Abb. 3 Quarts A: neutral; B und C unter
Abb. 3 zeigt den piezoelektrischen Effekt. In Bild A erkennt man, dass wenn der Quarts keiner Kraft
ausgesetzt ist dieser neutral ist. Wird nun eine Kraft entlang der x
Ladungsträgerverschiebung. Es bildet sich ein elektrisches Feld entlang der y
den umgekehrten Fall, die Kraft wirkt jetzt in die entgegengesetzte Richtung wie in Bild B. Man sieht,
dass das elektrische Feld sich umkehrt. Diese Tatsache kann zur Druckdetektion genutzt werden.
Auf das aktive Element, den Quarts wirkt nun ein Druck, dadurch kommt es zur Deformierung und
einer Ladungsträgerverschiebung. Es wird ein elektrisches Feld erzeugt. Dadurch ändert sich der
Widerstand des aktiven Elements
Umwandlung in elektrischen Strom nutzt. Die grün markierten Effekte (pyro
piezoelektrischer Effekt) werden im Unterkapitel „klassische Sensoren“ näher behandelt.
markierte Katalyse im Unterkapitel „Moleküldetektion“.
Nun werden zwei Beispiele, nämlich eines Gassensors und eines Drucksensors etwas genauer
Der Drucksensor nutzt den piezoelektrischen Effekt. Ein typisches Material für die Detektor ist ein
; B und C unter Einfluss einer Kraft
Abb. 3 zeigt den piezoelektrischen Effekt. In Bild A erkennt man, dass wenn der Quarts keiner Kraft
ausgesetzt ist dieser neutral ist. Wird nun eine Kraft entlang der x-Achse ausgeübt, so kommt es zur
Ladungsträgerverschiebung. Es bildet sich ein elektrisches Feld entlang der y-Achse aus. Bild C zeigt
den umgekehrten Fall, die Kraft wirkt jetzt in die entgegengesetzte Richtung wie in Bild B. Man sieht,
ich umkehrt. Diese Tatsache kann zur Druckdetektion genutzt werden.
Abb. 4 ����-Basierter Drucksensor
Auf das aktive Element, den Quarts wirkt nun ein Druck, dadurch kommt es zur Deformierung und
einer Ladungsträgerverschiebung. Es wird ein elektrisches Feld erzeugt. Dadurch ändert sich der
Widerstand des aktiven Elements und infolge dessen kann man eine Spannungsänderung messen.
5
Umwandlung in elektrischen Strom nutzt. Die grün markierten Effekte (pyro- und
näher behandelt. Die blau
Nun werden zwei Beispiele, nämlich eines Gassensors und eines Drucksensors etwas genauer
Der Drucksensor nutzt den piezoelektrischen Effekt. Ein typisches Material für die Detektor ist ein
Abb. 3 zeigt den piezoelektrischen Effekt. In Bild A erkennt man, dass wenn der Quarts keiner Kraft
sgeübt, so kommt es zur
Achse aus. Bild C zeigt
den umgekehrten Fall, die Kraft wirkt jetzt in die entgegengesetzte Richtung wie in Bild B. Man sieht,
ich umkehrt. Diese Tatsache kann zur Druckdetektion genutzt werden.
Auf das aktive Element, den Quarts wirkt nun ein Druck, dadurch kommt es zur Deformierung und
einer Ladungsträgerverschiebung. Es wird ein elektrisches Feld erzeugt. Dadurch ändert sich der
und infolge dessen kann man eine Spannungsänderung messen.
Abb. 5 Spannung in Abhängigkeit von Druck und Temperatur
Abb. 5 zeigt eine Druckmessung bei verschiedenen Temperaturen. Man erkennt deutlich, dass man
mit diesem Drucksensor keinen kleinen Druc
da bei diesem Versuch der Druck im
Bereich geändert hat. Trotzdem sieht man einen linearen Zusammenhang zwischen Druck und
Spannung. Dadurch kann man direkt aus der Spannungsmessung
schließen. Wichtig ist, dass die Messungen stark temperaturabhängig sind. Je höher die Temperatur,
desto geringer die Geradensteigung. Folglich muss die bei einer Druckmessung mit diesem Sens
eine Kalibrierung durchgeführt werden, ansonsten bekommt man falsche Ergebnisse.
Will man nun nicht einen Druck, sonder Wasserstoff detektieren, so kann man den pyroelektrischen
Effekt nutzen. Dieser Effekt ist mit dem piezoelektrischen Effekt verwan
eine Temperaturänderung zu einer Änderung der Gitterabstände und damit des Dipolmoments. Es
kommt wieder zur Ausbildung eines elektrischen Feldes und damit von Überschussladung. Ein
typisches Material ist das Polymer PVDF.
Bei diesem Sensor kommt es an der Palladiumschicht zur Adsorption von Wasserstoff. Bei dem
Adsorptionsprozess wird Energie in Form von Wärme frei. Diese Wärme entsteht in der
Palladiumschicht. Die Temperaturänderung führt zur Ä
PVDF und somit zu einer Überschussladung durch den pyroelektrischen Effekt. Diese
Überschussladung kann dann als elektrischer Strom an der Basiselektrode detektiert werden. Es
bleibt zu erwähnen, dass die Messung wie
bestimmten Temperaturbereich durchgeführt werden kann, was sich aus der
Temperaturabhängigkeit der pyroelektrischen Koeffizienten ergibt.
Abb. 5 Spannung in Abhängigkeit von Druck und Temperatur
Abb. 5 zeigt eine Druckmessung bei verschiedenen Temperaturen. Man erkennt deutlich, dass man
mit diesem Drucksensor keinen kleinen Druckänderungen darstellen kann, sondern nur sehr große,
der Druck im kPa Beriech geändert wurde und die Spannung sich nur im mV
Trotzdem sieht man einen linearen Zusammenhang zwischen Druck und
n man direkt aus der Spannungsmessung auf den vorliegenden Druck
Wichtig ist, dass die Messungen stark temperaturabhängig sind. Je höher die Temperatur,
desto geringer die Geradensteigung. Folglich muss die bei einer Druckmessung mit diesem Sens
eine Kalibrierung durchgeführt werden, ansonsten bekommt man falsche Ergebnisse.
Will man nun nicht einen Druck, sonder Wasserstoff detektieren, so kann man den pyroelektrischen
Dieser Effekt ist mit dem piezoelektrischen Effekt verwandt. Dabei kommt
eine Temperaturänderung zu einer Änderung der Gitterabstände und damit des Dipolmoments. Es
kommt wieder zur Ausbildung eines elektrischen Feldes und damit von Überschussladung. Ein
typisches Material ist das Polymer PVDF.
Abb. 6 Polymer-Wasserstoff Sensor
Bei diesem Sensor kommt es an der Palladiumschicht zur Adsorption von Wasserstoff. Bei dem
Adsorptionsprozess wird Energie in Form von Wärme frei. Diese Wärme entsteht in der
Palladiumschicht. Die Temperaturänderung führt zur Änderung der Gitterabstände des Polymers
PVDF und somit zu einer Überschussladung durch den pyroelektrischen Effekt. Diese
Überschussladung kann dann als elektrischer Strom an der Basiselektrode detektiert werden. Es
bleibt zu erwähnen, dass die Messung wieder temperaturabhängig ist und nur über einen
bestimmten Temperaturbereich durchgeführt werden kann, was sich aus der
Temperaturabhängigkeit der pyroelektrischen Koeffizienten ergibt.
6
Abb. 5 Spannung in Abhängigkeit von Druck und Temperatur
Abb. 5 zeigt eine Druckmessung bei verschiedenen Temperaturen. Man erkennt deutlich, dass man
känderungen darstellen kann, sondern nur sehr große,
Beriech geändert wurde und die Spannung sich nur im mV
Trotzdem sieht man einen linearen Zusammenhang zwischen Druck und
auf den vorliegenden Druck
Wichtig ist, dass die Messungen stark temperaturabhängig sind. Je höher die Temperatur,
desto geringer die Geradensteigung. Folglich muss die bei einer Druckmessung mit diesem Sensortyp
eine Kalibrierung durchgeführt werden, ansonsten bekommt man falsche Ergebnisse.
Will man nun nicht einen Druck, sonder Wasserstoff detektieren, so kann man den pyroelektrischen
dt. Dabei kommt es durch
eine Temperaturänderung zu einer Änderung der Gitterabstände und damit des Dipolmoments. Es
kommt wieder zur Ausbildung eines elektrischen Feldes und damit von Überschussladung. Ein
Bei diesem Sensor kommt es an der Palladiumschicht zur Adsorption von Wasserstoff. Bei dem
Adsorptionsprozess wird Energie in Form von Wärme frei. Diese Wärme entsteht in der
nderung der Gitterabstände des Polymers
PVDF und somit zu einer Überschussladung durch den pyroelektrischen Effekt. Diese
Überschussladung kann dann als elektrischer Strom an der Basiselektrode detektiert werden. Es
der temperaturabhängig ist und nur über einen
bestimmten Temperaturbereich durchgeführt werden kann, was sich aus der
3 Das physikalische Prinzip und Beispiele nitridischer Nanosensoren
In diesem Kapitel wird jetzt genauer auf die physikalischen Prinzipien eingegangen, also was im
Transduktor und am Rezeptor passiert, sowie wie solche Aufgebaut sind.
Ziel ist es den Menschen zu imitieren, also z.B. elektronische Nasen oder Zungen herzustelle
dieses etwas zu motivieren folgt ein kurzes Beispiel:
Wie man in Abb. 7 sieht befindet sich einsträngige DNA auf sogenannten Plättchen. Die einsträngige
DNA wird als Sonde bezeichnet. Dockt nun die passende D
gelber Kreis), dann kommt es zu einer chemischen Reaktion bei welcher Elektronen frei werden. Die
Elektronen werden vom Molekül, das an die DNA
Reaktionen erzeugt. Diese Elektr
Die Sonden sind also die Rezeptoren. Die Plättchen haben einen Durchmesser von ca. 25 mm. Auf
diesen können sich bis zu 50000 Sonden befinden. Um die entstehenden Elektronen zu detektieren
und ein elektrisches Signal zu erzeugen kann ein FET verwendet werden.
3.1 Der Metal Oxid Semiconductor
DNA-Molekül
25 mm
Das physikalische Prinzip und Beispiele nitridischer Nanosensoren
iesem Kapitel wird jetzt genauer auf die physikalischen Prinzipien eingegangen, also was im
Transduktor und am Rezeptor passiert, sowie wie solche Aufgebaut sind.
Ziel ist es den Menschen zu imitieren, also z.B. elektronische Nasen oder Zungen herzustelle
dieses etwas zu motivieren folgt ein kurzes Beispiel:
Abb. 7 Prinzip der DNA-Detektion
Wie man in Abb. 7 sieht befindet sich einsträngige DNA auf sogenannten Plättchen. Die einsträngige
DNA wird als Sonde bezeichnet. Dockt nun die passende DNA-Komponente an die Sonde an (siehe
gelber Kreis), dann kommt es zu einer chemischen Reaktion bei welcher Elektronen frei werden. Die
Elektronen werden vom Molekül, das an die DNA-Komponente gebracht wurde, durch chemische
Reaktionen erzeugt. Diese Elektronen müssen anschließend nur noch Detektiert werden.
Die Sonden sind also die Rezeptoren. Die Plättchen haben einen Durchmesser von ca. 25 mm. Auf
diesen können sich bis zu 50000 Sonden befinden. Um die entstehenden Elektronen zu detektieren
trisches Signal zu erzeugen kann ein FET verwendet werden.
emiconductor Field Effect Transisitor (MOSFET)
Abb. 8 Aufbau eines MOSFET
-Komponente
Sonden
Kanal
7
Das physikalische Prinzip und Beispiele nitridischer Nanosensoren
iesem Kapitel wird jetzt genauer auf die physikalischen Prinzipien eingegangen, also was im
Ziel ist es den Menschen zu imitieren, also z.B. elektronische Nasen oder Zungen herzustellen. Um
Wie man in Abb. 7 sieht befindet sich einsträngige DNA auf sogenannten Plättchen. Die einsträngige
Komponente an die Sonde an (siehe
gelber Kreis), dann kommt es zu einer chemischen Reaktion bei welcher Elektronen frei werden. Die
Komponente gebracht wurde, durch chemische
onen müssen anschließend nur noch Detektiert werden.
Die Sonden sind also die Rezeptoren. Die Plättchen haben einen Durchmesser von ca. 25 mm. Auf
diesen können sich bis zu 50000 Sonden befinden. Um die entstehenden Elektronen zu detektieren
Der MOSFET aus Abb. 8 besteht aus einem Source und einem Drain Kontakt. Diese sind über einen
Kanal miteinander verbunden, welcher über den Gatekontakt gesteuert werden kann. Folglich ist ein
MOSFET ein durch äußere Spannung steuerbarer Widerstand. Der Strom zwischen Source und Drain
(��� ) kann also über das Gate gesteuert werden.
Kanal ausbildet es gilt: � 0
Ladungsträger von Source nach Drain gelangen.
Abb. 9 Banddiagramm eines MOSFET bei geschlossenem Gate
Liegt nun am Gate eine Spannung an, dann ergibt sich folgender Effekt:
Abb. 10 Banddiagramm eines MOSFET bei offenem Gate
Es bildet sich ein Kanal zwischen Source und Drain aus. Dies ergibt sich aus
welche in Abb. 10 sichtbar ist. Ladungsträger (
zum Drain-Kontakt gelangen. Jegliche Änderungen an der Gatespannung führen dann zur Änderung
der Kanalgröße und somit zu einer Änderung des Source
gemessen werden. Somit kann das Gate als Rezeptor arbeiten und der FET ist der Transduktor. Am
Gate liegt also eine Spannung an, wenn diese durch z.B. frei werdende Elektronen verändert wird, so
ändert sich der Source-Drain-Strom.
Jedoch ist der MOSFET nicht sehr sensitiv. K
gemessen werden. Genau an dieser Stelle können die Nitride genutzt werden.
Metall-Gate:
U=0
Metall-Gate:
U>0
Der MOSFET aus Abb. 8 besteht aus einem Source und einem Drain Kontakt. Diese sind über einen
miteinander verbunden, welcher über den Gatekontakt gesteuert werden kann. Folglich ist ein
MOSFET ein durch äußere Spannung steuerbarer Widerstand. Der Strom zwischen Source und Drain
) kann also über das Gate gesteuert werden. Ist das Gate zu haben wir den Fall, dass sich kein
0 und somit ��� � 0. Dies verdeutlicht Abb. 9. Es können keine
Ladungsträger von Source nach Drain gelangen.
Banddiagramm eines MOSFET bei geschlossenem Gate
Liegt nun am Gate eine Spannung an, dann ergibt sich folgender Effekt:
Abb. 10 Banddiagramm eines MOSFET bei offenem Gate
Es bildet sich ein Kanal zwischen Source und Drain aus. Dies ergibt sich aus der Bänderverbiegung,
welche in Abb. 10 sichtbar ist. Ladungsträger ( ��) können durch diesen Kanal vom Source
Kontakt gelangen. Jegliche Änderungen an der Gatespannung führen dann zur Änderung
der Kanalgröße und somit zu einer Änderung des Source-Drain-Stroms. Diese Änderung kann
it kann das Gate als Rezeptor arbeiten und der FET ist der Transduktor. Am
Gate liegt also eine Spannung an, wenn diese durch z.B. frei werdende Elektronen verändert wird, so
Strom.
Jedoch ist der MOSFET nicht sehr sensitiv. Kleinste Änderungen in der Gatespannung können nicht
gemessen werden. Genau an dieser Stelle können die Nitride genutzt werden.
Gate:
Gate:
8
Der MOSFET aus Abb. 8 besteht aus einem Source und einem Drain Kontakt. Diese sind über einen
miteinander verbunden, welcher über den Gatekontakt gesteuert werden kann. Folglich ist ein
MOSFET ein durch äußere Spannung steuerbarer Widerstand. Der Strom zwischen Source und Drain
Ist das Gate zu haben wir den Fall, dass sich kein
. Dies verdeutlicht Abb. 9. Es können keine
Banddiagramm eines MOSFET bei geschlossenem Gate
der Bänderverbiegung,
) können durch diesen Kanal vom Source-Kontakt
Kontakt gelangen. Jegliche Änderungen an der Gatespannung führen dann zur Änderung
Stroms. Diese Änderung kann
it kann das Gate als Rezeptor arbeiten und der FET ist der Transduktor. Am
Gate liegt also eine Spannung an, wenn diese durch z.B. frei werdende Elektronen verändert wird, so
leinste Änderungen in der Gatespannung können nicht
9
3.2 Die Eigenschaften der Nitride
Abb. 11 Bandlücke � und Wellenlänge über der Gitterkonstante für die Nitridverbindungen
Die nitridischen Verbindungen GaN, AlN und InN weisen, wie man in Abb. 11 sieht eine große
Bandlücke auf, welche variabel ist. So kann man bei der Herstellung von AlGaN durch Variation des
Aluminium Inhalts eine Bandlücke zwischen 3,8 eV und 6,2 eV erzeugen. Zudem sind die
Nitridverbindungen chemisch und thermisch stabil. Dadurch können Bauteile, welche aus diesen
Materialien bestehen in rauen Umgebungen und bei hohen Temperaturen verwendet werden.
Außerdem zeigen die Nitridverbindungen eine hohe biokompatibilität. Auf diese Eigenschaften wird
in den weiteren Beschreibungen genauer eingegangen, vor allem wie die Eigenschaften genutzt
werden. Vorher jedoch wird jetzt beschrieben wieso ein Transduktor aus Nitridverbindungen
hergestellt wird und wie dieser aufgebaut ist.
3.3 Die Wurzit-Struktur
Abb. 12 Die Wurzit-Struktur von GaN
Abb. 12 zeigt die Wurzit-Struktur des GaN, diese Struktur weist einen stark ionischen Charakter auf.
Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass die gebundenen Elektronen zum Stickstoff hin verschoben
sind . Dadurch ergibt sich eine Elektronegativitätsdifferenz und dieser Effekt erzeugt die Große
Bandlücke. Dies ist aber nicht der einzige Effekt der bei dieser Struktur auftritt. Durch die Wurzit-
Struktur ergibt sich eine fehlende Inversionssymmetrie. Dadurch kommt es an der Oberfläche zur
Stickstoff N
Gallium Ga
10
spontanen Polarisation. Abb. 13 zeigt Werte (für verschiedene Materialien) der spontanen
Polarisation:
Abb. 13 Spontane Polarisation für verschiedene Materialien
Wie man in der Abb. 13 erkennt, zeigen AlN und GaN im Vergleich zu anderen Materialien wie GaP
oder AlAs eine sehr hohe spontane Polarisation. An nitridischen Grenzflächen, z.B. an der
Grenzfläche zwischen AlGaN und GaN ergibt sich die Polarisation aus der Differenz der Polarisation
der Einzelschichten, folglich ist diese an der Grenzschicht sehr groß.
Hinzukommt, dass die nitridischen Verbindungen piezoelektrisch sind. Abb. 14 zeigt für verschieden
Verspannungsrichtungen die piezoelektrische Polarisation von GaN.
Abb. 14 Piezoelektrische Polarisation von GaN
Wenn nun auf einer GaN-Schicht eine AlGaN-Schicht aufgewachsen wird so kommt es aufgrund der
unterschiedlichen Gitterkonstanten (siehe Abb. 11) zu biaxialen Verspannungen und damit zur
11
piezoelektrischen Polarisation, welche wieder an den Grenzflächen wirksam wird. Dabei addieren
sich die spontane und piezoelektrische Polarisation. Dies wird in einem High Electron Mobility
Transistor (HEMT) genutzt.
3.4 Der HEMT
Abb. 15 Links: Die HEMT-Struktur; Rechts: Atommodell des HEMT; bei beiden ist die Polarisation �
eingezeichnet
Wie man in Abb.15 erkennt wird zur Erzeugung einer HEMT-Struktur auf eine GaN-Schicht eine
AlGaN-Schicht gewachsen. Dabei addieren sich die Polarisationen. An der Oberfläche entsteht eine
negative Polarisation. An den Grenzflächen eine Positive. Dadurch entsteht eine Bandverbiegung und
Elektronen sammeln sich in dieser.
Abb. 16 Vertikalstruktur und Leitungsbandverlauf einer AlGaN/GaN-Heterostruktur
Abb. 16 zeigt einerseits die Bandverbiegung an der Grenzfläche und andererseits ist die
Elektronenanzahl (+) eingezeichnet. Man erkennt leicht, dass in der Verbiegung sich sehr viele
Elektronen befinden (� � 2 ⋅ 10�� �
���). Diese Elektronen haben eine sehr große Beweglichkeit und
werden als 2 Dimensionales Elektronengas (2DEG) bezeichnet (siehe Abb. 15). Der HEMT funktioniert
12
wie ein Transistor. Der Unterschied ist, dass kleinste Spannungsänderungen am Gate zu einer
Veränderung der Bandverbiegung führen und somit sich der Source-Drain-Strom ändert. Der HEMT
ist folglich sehr sensitiv. Ein weiterer Vorteil besteht in der Polarisation. Wenn sich nämlich an der
Oberfläche Elektronen oder Protonen befinden (Änderung des ph-Werts), so ändert sich die
Polarisation und damit ebenfalls die Barrierenhöhe und Bandverbiegung. Dies kann ebenfalls
gemessen werden. Aber nicht nur diese Eigenschaft ist von Interesse. Die Nitridverbindungen sind,
wie schon erwähnt sehr piezoelektrisch, dies wird zur Druckmessung verwendet und wird als
nächstes genauer Beschrieben.
3.5 Die Druckmessung
Die Nitridverbindungen sind stark piezoelektrisch. Wenn man also diese verformt, wird ein
elektrisches Feld im inneren erzeugt. Dies verändert den Ladungsfluss von Source nach Drain. Dies
wird in Abb. 17 verdeutlicht.
Abb. 17 Aufbau zur Druckmessung: a) kein Druck; b) Druck vorhanden
In Abb. 17a wird kein Druck auf die AlGaN-Schicht ausgeübt. Folglich können Ladungsträger von
Kontakt 2 nach 3 gelangen. Durch Anlegen eines Druckes wird ein elektrisches Feld erzeugt (durch
piezoelektrische Polarisation) und es können nun weniger Ladungsträger von 2 nach 3 gelangen.
Damit ändert sich die Spannung und auch der Widerstand. Führt man das gleiche für eine HEMT-
Struktur durch, so kommt es durch die Änderung der piezoelektrischen Polarisation zu einer
Änderung der Bandverbiegung und Barrierenhöhe, was zur Folge hat, dass die Anzahl der Elektronen
und die Beweglichkeit dieser sich ändert.
Wenn man nun die relative Änderung des Widerstandes misst und über der Verformung � aufträgt,
so ergibt sich aus der Geradensteigung die Sensitivität.
Abb. 18 Druckmessung mit einem HEMT im Vergleich zu SiC und AlGaN
Durch den 2DEG ist der HEMT viel sensitiver
in Abb. 18. Die Geradensteigung für die Messung ist beim HEMT weitaus größer. Man erkennt
ebenfalls den linearen Zusammenhang zwischen Verformung und Widerstandsandänderung und
damit der Spannungsänderung. Dadurch kann man aus solchen Messungen direkt den Druck
bestimmen.
3.6 Die Gasdetektion mit einem HEMT
Für eine Gasdetektion wird als Gatekontakt Platin verwendet. Dieses ist porös und erlaubt einerseits
die Adsorption von Wasserstoff und andererseits k
gelangen.
Abb. 19 Der Platin
Durch die Anwesenheit von Gasen ändert sich die Polarisation an der HEMT
ebenfalls an der Grenzfläche zwischen GaN und AlGaN.
einer Änderung der Bandverbiegung und somit der Anzahl der Elektronen im 2DEG. Damit ändert
sich auch der Source-Drain Strom.
Abb. 18 Druckmessung mit einem HEMT im Vergleich zu SiC und AlGaN
Durch den 2DEG ist der HEMT viel sensitiver als ein Drucksensor aus AlGaN oder SiC. Dies sieht man
in Abb. 18. Die Geradensteigung für die Messung ist beim HEMT weitaus größer. Man erkennt
ebenfalls den linearen Zusammenhang zwischen Verformung und Widerstandsandänderung und
ung. Dadurch kann man aus solchen Messungen direkt den Druck
Die Gasdetektion mit einem HEMT
Für eine Gasdetektion wird als Gatekontakt Platin verwendet. Dieses ist porös und erlaubt einerseits
die Adsorption von Wasserstoff und andererseits können verschiedene andere Gase in die Poren
Abb. 19 Der Platin-Kontakt an einem HEMT
Durch die Anwesenheit von Gasen ändert sich die Polarisation an der HEMT-Oberfläche und damit
ebenfalls an der Grenzfläche zwischen GaN und AlGaN. Diese Änderung der Polarisation führt zu
einer Änderung der Bandverbiegung und somit der Anzahl der Elektronen im 2DEG. Damit ändert
Drain Strom.
13
Abb. 18 Druckmessung mit einem HEMT im Vergleich zu SiC und AlGaN
als ein Drucksensor aus AlGaN oder SiC. Dies sieht man
in Abb. 18. Die Geradensteigung für die Messung ist beim HEMT weitaus größer. Man erkennt
ebenfalls den linearen Zusammenhang zwischen Verformung und Widerstandsandänderung und
ung. Dadurch kann man aus solchen Messungen direkt den Druck
Für eine Gasdetektion wird als Gatekontakt Platin verwendet. Dieses ist porös und erlaubt einerseits
önnen verschiedene andere Gase in die Poren
Oberfläche und damit
ung der Polarisation führt zu
einer Änderung der Bandverbiegung und somit der Anzahl der Elektronen im 2DEG. Damit ändert
Abb. 20 Gasmessung mit einem HEMT bei 300°C
An solch einem Kontakt wird eine Messung für verschi
durchgeführt. Dabei wird der Source
aufgetragen. Die Messung wird bei 300°C durchgeführt damit die Gase sich nicht am Pt
ablagern und den Kontakt anschließend zers
Gaskonzentration zu einer Änderung des Source
Kohlenstoffmonoxid oder Wasserstoff den SD
SD-Strom. Aber man sieht auch die Problematik. Der Kontakt ist nicht selektiv. Wir können zwar
sagen dass Gase vorhanden sind aber es ist nicht möglich auf das Gas selber Rückschlüsse zu ziehen.
Denn sowohl Wasserstoff und Kohlenwasserstoff erhöhen den SD
nicht wissen welches Gas gerade am Pt
wird. Eine Möglichkeit das Problem zu lösen besteht darin selektive Kontakte aus Biomolekülen
herzustellen.
3.7 Die Molekül-Detektion
Um nun Moleküle oder Gase selektiv detektieren zu können benutzt man Biomoleküle, welche an
den Gatekontakt des HEMTs gebracht werden und zu einer Katalyse, bei vorhanden sein eines
bestimmten Gases oder Moleküls, führen. Diese Biomoleküle werden als Linker bezeichnet. Es ist
noch sehr schwer diese auf die Halbleiteroberfläche zu bringen, da diese meist nur durch Van
Waals-Kräfte am Halbleiter gehalten werden. Diese sind sehr schwach und die Linkermoleküle
können sich leicht lösen. Deshalb versucht man solche Verbindungen
realisieren, was schwer und momentan ein Gebiet der Forschung ist.
Abb. 21 Linkermolekül zur Glucosedetekti
Abb. 20 Gasmessung mit einem HEMT bei 300°C
An solch einem Kontakt wird eine Messung für verschiedene Gase und Gaskonzentrationen
durchgeführt. Dabei wird der Source-Drain Strom und die Gaskonzentration über der Zeit
Die Messung wird bei 300°C durchgeführt damit die Gase sich nicht am Pt
ablagern und den Kontakt anschließend zerstören. Wie man sofort sieht führt eine Erhöhung der
Gaskonzentration zu einer Änderung des Source-Drain Stroms. Dabei erhöhen Gase wie
Kohlenstoffmonoxid oder Wasserstoff den SD-Strom und Gase wie Stickstoffdioxid verringern den
ch die Problematik. Der Kontakt ist nicht selektiv. Wir können zwar
sagen dass Gase vorhanden sind aber es ist nicht möglich auf das Gas selber Rückschlüsse zu ziehen.
Denn sowohl Wasserstoff und Kohlenwasserstoff erhöhen den SD-Strom (siehe Abb. 20). Würd
nicht wissen welches Gas gerade am Pt-Kontakt ist, so könnten wir auch nicht sagen was gemessen
Eine Möglichkeit das Problem zu lösen besteht darin selektive Kontakte aus Biomolekülen
Gase selektiv detektieren zu können benutzt man Biomoleküle, welche an
den Gatekontakt des HEMTs gebracht werden und zu einer Katalyse, bei vorhanden sein eines
bestimmten Gases oder Moleküls, führen. Diese Biomoleküle werden als Linker bezeichnet. Es ist
noch sehr schwer diese auf die Halbleiteroberfläche zu bringen, da diese meist nur durch Van
Kräfte am Halbleiter gehalten werden. Diese sind sehr schwach und die Linkermoleküle
können sich leicht lösen. Deshalb versucht man solche Verbindungen über kovalente Bindungen zu
realisieren, was schwer und momentan ein Gebiet der Forschung ist.
Abb. 21 Linkermolekül zur Glucosedetektion; links: Linkermolekül; rechts: Glucosedetektion
14
edene Gase und Gaskonzentrationen
Drain Strom und die Gaskonzentration über der Zeit
Die Messung wird bei 300°C durchgeführt damit die Gase sich nicht am Pt-Kontakt
Wie man sofort sieht führt eine Erhöhung der
Drain Stroms. Dabei erhöhen Gase wie
Strom und Gase wie Stickstoffdioxid verringern den
ch die Problematik. Der Kontakt ist nicht selektiv. Wir können zwar
sagen dass Gase vorhanden sind aber es ist nicht möglich auf das Gas selber Rückschlüsse zu ziehen.
Strom (siehe Abb. 20). Würden wir
Kontakt ist, so könnten wir auch nicht sagen was gemessen
Eine Möglichkeit das Problem zu lösen besteht darin selektive Kontakte aus Biomolekülen
Gase selektiv detektieren zu können benutzt man Biomoleküle, welche an
den Gatekontakt des HEMTs gebracht werden und zu einer Katalyse, bei vorhanden sein eines
bestimmten Gases oder Moleküls, führen. Diese Biomoleküle werden als Linker bezeichnet. Es ist
noch sehr schwer diese auf die Halbleiteroberfläche zu bringen, da diese meist nur durch Van-der-
Kräfte am Halbleiter gehalten werden. Diese sind sehr schwach und die Linkermoleküle
über kovalente Bindungen zu
on; links: Linkermolekül; rechts: Glucosedetektion
15
Abb.21 zeigt nun solch ein Linkermolekül, welches auf einen Goldkontakt gebracht worden ist. Man
erkennt die Komplexität des Moleküls. Es muss gewährleistet werden, dass nach der Katalyse von
Glucose, wobei Elektronen frei werden, das Linkermolekül wieder in die Ausgangslage zurückkehrt,
damit es weiter Glucose katalysieren kann. Ansonsten würde der Detektor nach einer gewissen Zeit
nicht mehr funktionieren.
Die Linkermoleküle haben wie auch die Halbleiter Energiezustände. Diese werden als HOMO und
LUMO bezeichnet. Um nun eine Detektion zu ermöglichen müssen die Energiezustände der
Halbleiter mit den der Linkermolekülen weitgehend übereinstimmen.
Abb. 22 Linkermolekül auf Halbleiter (oben); Energiezustände (unten)
Abb. 22 unten zeigt den Idealfall. Die Energiezustände stimmen hier weitgehend überein. In Abb. 22
oben sieht man, dass durch Katalyse Protonen frei werden. Dies führt zu einer Änderung des ph-
Werts und einer Änderung der Polarisation im HEMT, was direkte Auswirkungen auf den 2DEG hat
und damit auf den SD-Strom. Natürlich wäre es auch möglich solche Systeme aus Silicium zu
erstellen. Diese zeigen aber ein Problem: Silicium verursacht eine große Energieverschiebung, es
müsste stark dotiert werden, damit die Energiezustände des Halbleiters und des Linkers
übereinstimmen. Transistoren aus GaAs sind nicht geeignet, da dass Arsen hochgradig Giftig ist und
die Biomoleküle werden zerstört. Die Nitride zeigen hier den großen Vorteil, dass sie natürlich
biokompatibel sind und die Bandlücke sich anpassen lässt (siehe Abb. 11).Dadurch kann realisiert
werden, dass die Energiezustände des Linkers weitgehend mit dem des Halbleiters übereinstimmt.
Zudem ist der HEMT wie schon beschrieben sehr sensitiv. Die Realisierung solch eines Biodetektors
soll am Beispiel eines Penicillin-Detektor gezeigt werden.
3.8 Der Penicillin-Detektor
Um Penicillin detektieren zu können wird als Linker APTES auf die Oberfläche des HEMTs gebracht.
Dieses Molekül katalysiert Penicillin zu Penicillin Säure wobei Protonen frei werden. Diese Protonen
befinden sich an der Oberfläche des HEMTs. Dort verursachen sie wieder eine Polarisationsänderung.
Dadurch bedingt ändert sich wieder die Bandverbiegung und damit das 2DEG. Dadurch kommt es zu
einer Strom-und Spannungsänderung. Diese wird gemessen. Für einen Penicillin Detektor ergibt sich
folgendes Bild:
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Abb. 23 Penicillin Detektor und Messung einer Konzentration von 0-2000 µMol
Die Katalyse ändert den ph-Wert durch freiwerdende Protonen. Durch die Polarisationsänderung
kommt es zu einer Spannungsänderung, welche gemessen wird. In Abb. 23 sieht man für immer
größere Konzentrationen von Penicillin, dass die Spannung in einem Bereich von 0-400 µMol linear
ansteigt. Dadurch kann durch Messung der Spannungsänderung in diesem Bereich direkt auf die
Penicillin-Konzentration geschlossen werden. Ab 400 µMol kommt der Detektor in einem
Sättigungsbereich., d.h. alle Linkermoleküle werden besetzt. Die Katalyse ist weitgehend konstant,
d.h. es wird die gleiche Anzahl von Protonen frei. Der ph-Wert bleibt konstant und somit kommt es
zu keiner weiteren Spannungsänderung.
Diese Methode eignet sich folglich für eine selektive Detektion, denn das Linkermolekül reagiert nur
mit einem dazu passenden Molekül oder Gas. Das Kunststück besteht darin für bestimmte Moleküle
oder Gase den passenden Linker zu finden und diesen auf die Halbleiteroberfläche zu bringen, so
dass die Energiezustände weitgehend übereinstimmen. Zusätzlich muss erfüllt sein, dass nach der
Katalyse das Linkermolekül wieder in den Ausgangszustand zurückkehrt. Dies ist Teil der aktuellen
Forschung, denn mit solchen Molekülen könnte man nicht nur Gase, sondern auch Antikörper
verschiedenster Krankheiten schnell detektieren, was zu einer billigen und schnellen Diagnose bei
einer Krankheit genutzt werden könnte. Dies ist aber Zukunftsmusik!
3.9 Der UV-Detektor
Um nun noch einmal auf die große Bandlücke zurückzukommen soll hier ein UV-Detektor gezeigt
werden. Durch die Bandlücke können Wellenlängen unterhalb von 380 nm detektiert werden. Die
Physik der Photodetektion wurde im vorherigen Vortrag genau erklärt. Hier soll nun ein UV-Detektor
und die Messergebnisse gezeigt werden.
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Abb. 24 UV-Detektor
Abb. 24 zeigt einen Nitrid basierten UV-Detektor. Die aktive Schicht ist auf eine Isolationsschicht und
einen Filter gewachsen. Der Filter soll ungewollte Wellenlängen heraus selektieren und die
Isolationsschicht soll einen Ladungsträgerfluss von dem Filter zur aktiven Schicht verhindern. In der
aktiven Schicht entstehen nun infolge des Photoeffekts Ladungsträger. Diese haben die Energie die
Bandlücke der aktiven Schicht. Diese kann durch Variation des Aluminiumgehalts variiert werden.
Abb. 25 Messergebnisse des UV-Detektors für verschiedene Filterdicken
Wie die Messergebnisse in Abb. 25 zeigen können wir Wellenlänge ab einem Bereich von 300 nm bis
200 nm detektieren. Wenn man nun die Filterdicke verändert, so kann man realisieren, dass nur eine
Wellenlänge (hier: ����� ! = 1,4 µ%; Wellenlänge ca. 300 nm) detektiert wird (siehe Abb. 25). Diese
Detektoren werden hauptsächlich als UV-Detektoren genutzt, da sie für das sichtbare Licht blind sind.
Dies sieht man in Abb. 25. Oberhalb von 320 nm nimmt die Detektionsintensität stark ab, sodass man
oberhalb von 320 nm nichts mehr detektieren kann. Als Anwendung ist die Flammendetektion zu
nennen.
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4 Zusammenfassung
Sensoren wandeln physikalische Größen in elektrischen Strom um und machen diese folglich einem
PC zur Analyse und Weiterverarbeitung zugänglich. Es lassen sich verschiedenste
Sensorappliaktionen realisieren, wobei in dieser Ausarbeitung nur einige Beispiele genannt wurden.
Ziel ist es heut zu Tage elektrische Zungen und Nasen zu erstellen. Diese bestehen aus verschiedenen
Sensoren, dabei sollte jeder einzelne Sensor selektiv eine Größe messen. Dies kann durch
Biomoleküle realisiert werden. Diese sind als Rezeptor selektiv. Die Nitride sind durch die
Realisierung einer HEMT-Struktur mit einem 2DEG-Film sehr gut als Transduktor nutzbar, da dieser
sehr sensitiv ist. Zudem weisen die Nitride eine natürliche Biokompatibilität auf.
Deshalb wird in Zukunft immer mehr an nitridischen Nanosensoren weitergeforscht, um dem Vorbild
Mensch immer näher zu kommen und selektive, schnelle Sensoren zu bauen, welche in Sensorarrays
eingebaut werden können und wie die menschliche Nase oder Zunge gleichzeitig mehrere
physikalische Größen, wie eine Gaszusammensetzung messen können.
