Entwicklung einer ISFET-Grundstruktur für Anwendung in aggressiver und hochkorrosiver Umgebung unter hohen Überpotentialen (anodisch und kathodisch) bestehend aus einer InAIN/GaN HEMT-Kanalstruktur und Optimierung der Elektrodeneigenschaften durch Modifikation des Dotierungsprofils und Funktionalisation der Oberfläche
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projekts wurde eine 3×3 Elektrodenarraystruktur auf transparentem Saphirsubstrat technologisch realisiert und für elektro-/biochemische Untersuchungen in entsprechender Flüssigkeitsumgebung aufgebaut. Für die entsprechenden Experimente wurden individuell einzelne BDD Elektroden und InAlN/GaN HEMTs ausgewählt und in Hybridtechnik verschalten. Hier wurden zwei Verschaltungen von Elektrode und FET evaluiert, nämliche die „Extended-gate“ ISFET Struktur für potentiometrische Messungen und der FET als Schalter für einen Elektrodenpixel bei amperometrischen Messungen. Während die BDD-Technologie in einem separatem Projekt, gefördert durch BW-Stiftung, optimiert wurde, wurde hier die Schnittstelle FET/Elektrode individuell hinsichtlich Signalwandlung und Schaltverhalten untersucht und optimiert, sodass im Falle der ISFET Struktur eine hohe pH-Abhängigkeit von I DS ≈ 5 mA/mm pro pH mit einer Auflösungsgrenze von ca. 0,1 pH erzielt werden konnte. In ersten Versuchen wurde der FET erfolgreich als Schalter für einzelne Elektroden und für einzelne Mikroelektroden getestet. Hier konnte ein äußerst schmaler Transferbereich von nur 0,1 V erzielt und eine Skalierung der Gate-Weite auf 2 µm für hochintegrierte Sensorarrays durchgeführt werden. Mit Blick auf die Entwicklung hochintegrierter Sensorsysteme wurde hier eine tiefe Mesa-Technologie der GaN-FETs auf Saphir entwickelt, welche die Herstellung aller passiven Elemente (Zuleitungen, BDD Elektrode) direkt auf dem hochisolierenden Substrat erlaubt und somit zu einer Reduzierung der FET Restströme führte. Ergänzt wurde diese Technologie weiterhin durch die Entwicklung einer „Ultrathin-Body“ InAlN/GaN Heterostruktur, durch welche die verbleibenden Restströme bis auf ca. 1 pA, nahezu unabhängig von der Gate-Weite, reduziert werden konnten. Diese „Ultrathin-Body“ HEMTs verfügten außerdem über ein hohes On/Off-Verhältnis von größer als 10^10 und über einen geringen „Subthreshold Slope“ von SS = 75 mV/dec. Für die Herstellung der Sensorarrays wurden zwei verschiedene Integrationstechnologien evaluiert. Bei der ersten, ursprünglich verfolgten Technologie wird die Diamantelektrode nach der kompletten HEMT-Prozesstechnik hergestellt. Um den hohen Temperaturen beim Diamantwachstum standzuhalten, wurde die Kontakttechnologie fast vollständig mit refraktären Metallen umgesetzt. In dieser Technologie konnte ein vollständiges 3×3 ISFET Sensorarray erfolgreich aufgebaut werden. Bei der zweiten Integrationstechnologie wurde die Prozessreihenfolge vertauscht, sodass mit der Herstellung der BDD Elektroden auf Saphirsubstrat begonnen wurde und danach die InAlN/GaN Heterostruktur ganzflächig über der Probe abgeschieden wurde. In dieser Technologie (dann mit Au-Kontakten) konnten erste HEMTs mit hoher Ausgangstromdichte I DS = 0,8 A/mm und Steilheit g m = 340 mS/mm vermessen, allerdings noch kein vollständiger Sensorchip implementiert werden. Während Integrationsmethode 1 den Einsatz einer InAlN/GaN Heterostruktur mit refraktärer Metallisierung bedingt, kann bei Methode 2 nicht nur eine Metallisierung, sondern auch ein elektronisches Halbleitermaterial gewählt werden, das sonst nicht mit den Diamantwachstumsbedingungen kompatibel ist. Da die Elektroden sogar das GaN-Wachstum unbeschadet überstanden, bietet diese Integrationsmethode einen neuen Freiheitsgrad bei der Entwicklung von BDD Sensorchips mit integrierter Elektronik. Die neuentwickelte „Ultrathin-Body“ InAlN/GaN Technologie erwies sich ebenfalls als wertvolle Ergänzung zur bestehenden Ulmer GaN-Hochtemperaturelektronik. Ähnlich wie konventionelle InAlN/GaN Heterostrukturen deutet sich auch für diese dünnen HEMT-Schichten eine keramik-ähnliche Temperaturstabilität an, welche in diesem Projekt bis zu 600 °C untersucht wurde. Über den Temperaturbereich von RT bis 600 °C konnte eine beinahe konstante Ausgangstromdichte von ca. 0,4 A/mm erzielt werden, wobei der Reststrom bei 600 °C im Bereich von 10 nA und somit das On/Off-Verhältnis bei dieser Temperatur noch mehr als 10^6 betrug. Großsignalmessungen im Klasse A Betrieb bei 1 MHz wurden unter Übersteuerung des Eingangs (symmetrische Auslenkung von ±2 V um V GS = 0 V) für mehr als 30 Minuten bei 600 °C durchgeführt und aufgenommen. Hierbei konnte eine konstante Ausgangsleistung von 109 mW/mm (begrenzt durch die gewählte Last von 120 Ω) erreicht werden, wobei kein Anzeichen für eine Degradation des Bauteils beobachtet werden konnte und somit die Robustheit dieser „Ultrathin-Body“ Technologie unterstreicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Fabrication of a NCD Microelectrode Array for amperometric detection with micrometer spatial resolution”, Diamond and Related Materials, 2010, 20, pp. 793 - 797
E. Colombo, Y. Men, J. Scharpf, C. Pietzka, M. Dipalo, P. Herfurth, Z. Gao, M. Schneider, V. Carabelli, E. Carbone, E. Kohn, A. Pasquarelli
- “GaN on sapphire mesa technology“, Physica Status Solidi C 9, No. 3–4, 945–948 (2012)
P. Herfurth, Y. Men, R. Rösch, J.-F. Carlin, N. Grandjean, and E. Kohn
- “GaN- on-insulator technology for high-temperature electronics beyond 400 °C“, Semiconductor Science and Technology 28, 074026 (2013)
P. Herfurth, D. Maier, Y. Men, R. Rösch, L. Lugani, J.-F. Carlin, N. Grandjean, and E. Kohn
- “Ultrathin Body InAlN/GaN HEMTs for High-Temperature (600 °C) Electronics“, IEEE Electron Device Letters 34, No. 4, 496–498 (2013)
P. Herfurth, D. Maier, L. Lugani, J.-F. Carlin, R. Rösch, Y. Men, N. Grandjean, and E. Kohn
- “Ultrathin InAlN/GaN heterostructures on sapphire for high on/off current ration high electron mobility transistors”, Journal of Applied Physics 113, 214503, 1-5 (2013)
L. Lugani, J.-F. Carlin, M. A. Py, D. Martin, F. Rossi, G. Salviati, P. Herfurth, E. Kohn, J. Bläsing, A. Krost, and N. Grandjean
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4808260)
