Piezoresistive Sensoren auf der Basis von III-V Halbleitern

Neber, Sascha

kassel university press, ISBN: 978-3-933146-47-2, 2000, iv, 105 Pages

URN: urn:nbn:de:0002-478

Zugl.: Kassel, Univ., Diss. 2000

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Content: In dieser Arbeit wurden die piezoresistiven Eigenschaften von III-V Halbleiter-Schichtstrukturen untersucht. Durch Messungen und Simulationsrechnungen wurde festgestellt, daß die Piezoresistivität in diesen Strukturen um Größenordnungen höher als diejenige in Volumen-Silizium sein kann. Durch Nutzung dieses Effektes werden neue Anwendungen für die Rasterkraftmikroskopie erschlossen, bei denen hohe Empfindlichkeit, hohe Auflösung, Tauglichkeit für tiefe Temperaturen und kompakte Sensoren gefordert sind. Zur Erklärung dieser "erhöhten Piezoresistivität" wurde ein physikalisches Modell aufgestellt, das die piezoelektrischen Eigenschaften der III-V Halbleiter als Ursache des Effektes identifiziert. Auf diesem Modell aufbauend wurde ein Programm entwickelt, mit dem die Piezoresistivität in beliebigen piezoelektrischen Halbleiter-Schichtstrukturen berechnet werden kann. Es wurden zwei Mechanismen identifiziert, die in piezoelektrischen Halbleitern die Piezoresistivität erhöhen. Sie werden als PER-Effekte (piezoelektroresistive Effekte) bezeichnet. Bei beiden Effekten modifiziert die mechanische Spannung den Bandverlauf im Halbleiter durch piezoelektrisch induzierte Polarisation senkrecht zur Schichtebene. Der modifizierte Bandverlauf bewirkt eine erhöhte bzw. erniedrigte Ladungsträgerdichte und damit einen neuen Mechanismus der Piezoresistivität.

Der PER1-Effekt tritt an Grenzflächen zweier Materialien auf, die unterschiedliche Piezoelektrizität aufweisen, z.B. an GaAs/AlGaAs-Grenzflächen. Er ermöglicht insbesondere piezoresistive Sensoren bei kryogenen Temperaturen. Der PER2-Effekt wird durch Gradienten der mechanischen Spannung im Halbleiter verursacht und nimmt daher bei Miniaturisierung stärker zu als die normale Piezoresistivität. Er ist damit optimal zur Realisierung mikromechanischer Bauelemente geeignet.

Aus dieser theoretischen Beschreibung des PER1- und des PER2-Effektes lassen sich quantitative Aussagen über die Widerstandsänderung durch mechanische Spannung treffen, wenn man den Bandverlauf und die Ladungsträgerdichten in den Halbleiterschichten berechnet. Dazu wurde ein Algorithmus aufgestellt, der diese selbstkonsistente Rechnung durchführt. Da der Algorithmus relativ aufwendige numerische Rechnungen beinhaltet, wurde er in einem Programm namens "piezo" realisiert. Somit steht ein leistungsfähiges Werkzeug zur quantitativen Berechnung der "erhöhten Piezoresistivität" zur Verfügung.

Die Simulationsrechnungen für drei Strukturen wurden ausführlich dargestellt und zwei davon anschließend mit Messungen verglichen. Generell führt eine niedrige Ladungsträgerdichte zu hoher Piezoresistivität, was aber einen hohen Schichtwiderstand nach sich zieht. Weiterhin nehmen die PER-Effekte mit abnehmender Temperatur stark zu, da die Ladungsträgerdichten dann aufgrund der verringerten thermischen Energie stärker auf Modifikationen des Bandverlaufs reagieren. Die erste vorgestellte Struktur ist eine GaAs-Homostrukur, die zwei dünne, dotierte Schichten enthält. Mit ihr wurde der reine PER2-Effekt demonstriert. Die wirksame Piezoresistivität ist (im Vergleich zu allen anderen bekannten piezoelektrischen Materialien) extrem groß. Bei einer Cantileverdicke von 10 µm und einer Temperatur von 77 K liegt sie zwei Größenordnungen über der "normalen Piezoresistivität" des Siliziums und um vier Größenordnungen über der normalen Piezoresistivität des GaAs. Bei Raumtemperatur ist der PER2-Effekt in Übereinstimmung mit der Simulation deutlich kleiner als bei 77 K.

Die zweite vorgestellte Struktur ist eine sogenannte HEMT-Struktur. In ihr treten beide PER-Effekte auf. Die beiden Effekte können sich je nach Anordnung des Piezoresistors verstärken oder abschwächen. Die HEMT-Struktur ist prinzipiell für Temperaturen bis zum absoluten Nullpunkt als Piezoresistor geeignet. Auch diese Struktur zeigt gegenüber der normalen Piezoresistivität des Siliziums oder GaAs deutlich erhöhte Piezoresistivität.

Mit einer AlAs/GaAs/AlGaAs-Doppelheterostruktur wurden die theoretischen Möglichkeiten des PER1-Effektes ausgelotet. Diese Struktur zeigt gegenüber der im vorigen Abschnitt angesprochenen Struktur nochmals deutlich höhere Piezoresistivität. Die Wirkungsweise beruht auf einer Verschiebung des Leitungsbandes, die in dieser Struktur sehr effektiv durch mechanische Spannung induziert wird.

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