(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体素子、半導体素子の半導体材料の状態を測定するための方法、測定装置等を提供する。【解決手段】流体の少なくとも１つの流体成分が供給される半導体素子１０８は、基板１１０と、電極１１４と、端子１１６とを有し、基板１１０は、半導体材料１１０からなり、基板１１０は、第１の側に基板コンタクト１１２を有し、電極１１４は、基板１１０の第２の側に配置されており、化学感応性の絶縁層１１８によって半導体材料１１０とは電気的に絶縁されており、端子１１６は、端子１１６と基板コンタクト１１２との間の電圧を測定するためのものであり、端子１１６は、基板１１０の第２の側にて電極１１４の側方にずらされて配置されており、半導体材料１１０は、端子１１６の領域において導電性になるようドープされていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の少なくとも１つの流体成分が供給される半導体素子（１０８）において、
前記半導体素子（１０８）は、基板（１１０）と、電極（１１４）と、端子（１１６）とを有し、
前記基板（１１０）は、半導体材料（１１０）からなり、前記基板（１１０）は、第１の側に基板コンタクト（１１２）を有し、
前記電極（１１４）は、前記基板（１１０）の第２の側に配置されており、化学感応性の絶縁層（１１８）によって、前記半導体材料（１１０）とは電気的に絶縁されており、
前記端子（１１６）は、該端子（１１６）と前記基板コンタクト（１１２）との間の電圧を測定するためのものであり、前記端子（１１６）は、前記基板（１１０）の前記第２の側にて、前記電極（１１４）の側方にずらされて配置されており、
前記半導体材料（１１０）は、前記端子（１１６）の領域において導電性になるようドープされている、
ことを特徴とする半導体素子（１０８）。
【請求項２】
前記端子（１１６）は、前記電極（１１４）の周囲にリング形に形成されている、
ことを特徴とする請求項１記載の半導体素子（１０８）。
【請求項３】
前記基板コンタクト（１１２）は、前記基板（１１０）の第１主平面に配置されており、
前記端子（１１６）は、前記第１主平面の反対側にある前記基板（１００）の第２主平面に配置されている、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体素子（１０８）。
【請求項４】
前記電極（１１４）及び／又は前記絶縁層（１１８）は、前記少なくとも１つの流体成分に対して、少なくとも部分的に透過性である、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の半導体素子（１０８）。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項記載の半導体素子（１０８）の半導体材料（１１０）の状態を測定するための方法（２００）において、
前記電極（１１４）と基準電位（１２０）との間に電圧（３００）を印加する、印加ステップ（２０２）と、
前記端子（１１６）と前記基板コンタクト（１１２）との間で電流（４００）を検出する、検出ステップ（２０４）と、
前記電圧（３００）と前記電流（４００）とを使用して前記半導体材料（１１０）の状態を特定する、特定ステップ（２０６）と、
を有することを特徴とする方法（２００）。
【請求項６】
前記印加ステップ（２０２）において、前記電圧（３００）を、電圧パルスとして印加し、
前記電圧パルスは、開始値（Ｕ１）から目標値（Ｕ４）へ所定の時間的上昇を有する立ち上がりエッジ（３０２）を有する、及び／又は、前記目標値（Ｕ４）から前記開始値（Ｕ１）へ所定の時間的降下を有する立ち下がりエッジ（３０４）を有する、
ことを特徴とする請求項５記載の方法（２００）。
【請求項７】
前記印加ステップ（２０２）において、前記電圧パルス（３００）は、前記開始値（Ｕ１）での所定の第１滞留時間を有する、及び／又は、前記目標値（Ｕ４）での所定の第２滞留時間を有する、
ことを特徴とする請求項５又は６記載の方法（２００）。
【請求項８】
前記印加ステップ（２０２）において、少なくとも１つの別の電圧パルス（３００）が印加される、
ことを特徴とする請求項６又は７記載の方法（２００）。
【請求項９】
前記印加ステップ（２０２）において、
前記別の電圧パルス（３００）は、別の開始値及び／又は別の目標値を有する、
及び／又は、
前記別の電圧パルス（３００）は、前記別の開始値での別の第１滞留時間を有する、及び／又は、前記別の目標値での別の第２停留時間を有する、
ことを特徴とする請求項８記載の方法（２００）。
【請求項１０】
前記印加ステップ（２０２）において、前記別の電圧パルス（３００）は、前記電圧パルス（３００）とは異なるパルス形状を有する、
ことを特徴とする請求項６から９のいずれか一項記載の方法（２００）。
【請求項１１】
前記検出ステップ（２０４）において、前記電流（４００）の時間推移を検出し、
前記時間推移（４００）を、少なくとも前記電圧（３００）の印加時間に亘って検出する、
ことを特徴とする請求項５から１０のいずれか一項記載の方法（２００）。
【請求項１２】
請求項５から１１のいずれか一項記載の方法（２００）のステップを、相応に構成された装置において実施するよう構成された、測定装置（１００）。
【請求項１３】
装置又は測定装置（１００）上で実行された場合に、請求項５から１１のいずれか一項記載の方法（２００）のステップを制御又は実施するためのプログラムコードを有する、コンピュータプログラムプロダクト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子、半導体素子の半導体材料の状態を測定するための方法、測定装置、並びに、相応のコンピュータプログラムプロダクトに関する。
【０００２】
化学感応性のトランジスタにおいて、トランジスタの特性曲線は、測定すべき媒体における物質の濃度と、トランジスタのソースコンタクトとドレインコンタクトとの間のチャネルを流れる電流との間の関係性を表している。
【背景技術】
【０００３】
ＤＥ１０２００９０４５４７５Ａ１は、気体感応性の半導体装置を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＤＥ１０２００９０４５４７５Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、上記の従来技術の欠点を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の背景を前にして、本発明による独立請求項に記載の半導体素子、半導体素子の半導体材料の状態を測定するための方法、測定装置、並びに、相応のコンピュータプログラムプロダクトが提供される。有利な実施例は、各従属請求項及び以下の詳細な説明に記載されている。
【０００７】
半導体材料は電気的特性を有し、この電気的特性は、半導体材料の原子よりも外側の電子殻により多く又は少ない電子を有する不純物原子を混入することによって影響を与えることができる。不純物原子は、製造時に半導体の結晶格子の中に収容される（ドーピング）。これによって半導体材料を、種々異なる導電状態に変えることができる。不純物原子は、束縛されていない電子又は正孔によって自由な電荷担体を供給する。さらに半導体材料は、結晶格子内に格子欠陥も有しており、この格子欠陥において半導体材料の原子は、ドープされた不純物原子なしに、電荷担体として例えば格子領域の配列の異なりに起因して束縛されていない電子を有する。この格子欠陥における半導体材料の特性は、供給された流体の成分との相互作用によって変化し得る。例えば供給された気体の成分は、半導体材料に拡散して格子欠陥を占拠する。これによって半導体の導電率が変化し得る。
【０００８】
半導体材料内の電荷担体は、種々異なるエネルギ準位を有することができる。従って、これらのエネルギ準位間で電荷担体を移動させるためには、種々異なる大きさの力が必要となり得る。この力は電界によってもたらすことができ、移動した電荷担体は、半導体内で電流の流れを生じさせる。電界が大きくなればなるほど、電荷担体はエネルギ準位間でより大きなジャンプが可能となる。半導体材料の中に収容された、供給された気体の成分は、エネルギ準位を初期位置から変化させることができる。これに関し、電荷担体をエネルギ準位間でジャンプさせて移動させるために、より強い又はより弱い電界が必要となり得る。従って、成分が半導体材料の中に収容されている場合、電界によって半導体材料に生じた電流の流れから、成分の存在を推定することができる。半導体材料中の成分量と、流体中の成分量とのバランスに基づき、電流の流れから流体中の成分濃度も推定することができる。
【０００９】
半導体材料は、２つの電極間で電界にさらすことができる。半導体材料の第１端子と、半導体材料の第２端子との間で、電流の流れを検出することができる。本発明は、電界と電流との間に因果関係が存在するという知識に基づく。
【００１０】
本発明は、流体の少なくとも１つの流体成分が供給される半導体素子において、
前記半導体素子は、基板と、電極と、端子とを有しており、
前記基板は、半導体材料からなり、
前記基板は、第１の側に基板コンタクトを有しており、
前記電極は、前記基板の第２の側に配置されており、化学感応性の絶縁層によって前記半導体材料から電気的に絶縁されており、
前記端子は、該端子と前記基板コンタクトとの間で電圧を測定するためのものであり、
前記端子は、前記基板の前記第２の側にて、前記電極の側方にずらされて配置されており、
前記半導体材料は、前記端子の領域において導電性になるようドープされている、
ことを特徴とする半導体素子を提供する。
【００１１】
基板は、円盤形状を有することができる。基板の第１の側は、半導体素子の底面又は取付面とすることができる。第２の側は、半導体素子のセンサ面とすることができる。基板コンタクトは、基板に直接接続された電極とすることができる。端子は、基板の部分領域とすることができる。半導体材料は、端子の領域において例えば不純物材料によってドープすることができる。
【００１２】
端子は、電極の周囲にリング形に形成することができる。第２コンタクトは、閉じられたリング形又は開いたリング形に形成することができる。開いたリング形の場合には、渦電流の影響を阻止することができる。
【００１３】
基板コンタクトは、端子が載置されている基板の主平面とは反対側にある、基板の主表面に配置することができる。
【００１４】
電極及び／又は絶縁層は、少なくとも１つの流体成分に対して少なくとも部分的に透過性に構成することができる。透過性とは、例えば多孔性、つまり小さな穴模様を有すると理解することができる。電極及び／又は絶縁層は、流体親和性（fluidphil）又は流体吸収性（fluidskopisch）とすることができる。例えば電極及び／又は絶縁層は、流体成分を引き寄せることができる、及び／又は、流体成分によって特に良好に湿らせることができる。同様にして、電極及び／又は絶縁層は、流体成分に対して吸着特性を有することができる。
【００１５】
本発明はさらに、本発明で提供するアプローチに基づく、半導体素子の半導体材料の状態を測定するための方法において、
電極と基準電位との間に電圧を印加する、印加ステップと、
端子と基板コンタクトとの間で電流を検出する、検出ステップと、
電圧と電流とを使用して半導体素子の状態を特定する、特定ステップと、
を有する方法を提供する。
【００１６】
半導体素子には、流体の少なくとも１つの流体成分を供給することができる。電極と基板との間の電圧は、電界を生じさせることができ、この電界は、半導体材料内の電荷担体のエネルギ準位を変化させるための活性化エネルギを供給することができる。半導体材料の状態とは、物質と半導体材料の原子との相互作用に基づいた状態であると理解することができ、この相互作用において、半導体材料の少なくとも１つの特性は、開始状態に比べて変化している。このような状態は、例えば流体から電極を通って基板へと拡散する所定の物質による、半導体材料の、特に基板の、所定の飽和であると理解することができる。択一的に、特定すべきこの状態は、流体からの物質による基板内の作用に基づく、導電率の局地的かつ部分的な可逆性又は非可逆性の変化と理解することもできる。物質は、半導体素子乃至半導体材料とコンタクトしている流体の成分とすることができる。状態は、処理規則を使用して特定することができる。処理規則は、半導体材料の状態を判断するために、電流の大きさと、電圧の大きさと、場合によっては別のパラメータとを互いに結合させるための規則とすることができる。
【００１７】
電圧は、電圧パルスとして印加することができ、この電圧パルスは、開始値から目標値まで所定の時間的上昇を有する立ち上がりエッジを有する。択一的または付加的に、電圧パルスは、目標値から開始値まで所定の時間的降下を有する立ち下がりエッジを有することができる。開始値及び目標値は、電圧値とすることができる。電極と基板コンタクトとの間の電界が、バンドギャップを克服するのに必要な活性化エネルギを供給するために充分強い場合には、制御された電圧上昇、乃至、制御された電圧降下によって、電流を検出することができる。これによって電圧値を、電流値に対して相関させることができる。電圧値は、正及び／又は負とすることができる。エッジは、それぞれゼロ交差を有することができる。
【００１８】
電圧は、開始値での所定の第１滞留時間を有することができる。択一的又は付加的に、電圧は、目標値での所定の第２滞留時間を有することができる。極値における所定の滞留時間によって、立ち上がりエッジで検出可能な効果と、立ち下がりエッジで検出可能な効果とを分離することができる。これらのエッジは、半導体材料の状態を小さな電圧ステップで特定するためにプラトーを有することもできる。
【００１９】
印加ステップにおいて、少なくとも１つの別の電圧パルスを印加することができる。検出ステップにおいて、少なくとも１つの別の電流を検出することができる。測定を繰り返すことによって、先行する測定に対する状態変化を検出することができる。これによって、半導体材料の状態変化を周期的に特定することができる。
【００２０】
前記別の電圧パルスは、別の開始値及び／又は別の目標値を有することができる。前記別の電圧パルスは、別の第１滞留時間及び／又は別の第２滞留時間を有することができる。異なる最小電圧値及び／又は最大電圧値によって、半導体材料の異なる特性乃至状態を特定することができる。半導体材料の現在の状態において電荷担体が価電子帯から伝導帯へと移動するために必要となる電位差よりも、目標値と開始値との間の電圧差が小さい場合には、目下のところバンドギャップはこの目標値と開始値との間の電圧差よりも大きい、と判断することができる。
【００２１】
前記別の電圧パルスは、前記電圧パルスとは異なるパルス形状を有することができる。例えばエッジは、異なる形状を有することができる。例えば、１つのエッジは線形に延在することができ、１つのエッジは正弦波形に歪むことができる。例えば、遅延し易い電流の変化を検出又は省略できるようにするために、エッジ領域をより平坦及び／又は急峻にすることによって、電圧領域をより迅速乃至緩慢に進行することができる。
【００２２】
検出ステップにおいて、電流の時間推移を検出することができ、この推移は、少なくとも電圧の印加時間に亘って検出することができる。この推移によって、半導体材料内の状態変化に基づいて識別可能な、半導体材料内の中間状態を特定することができる。
【００２３】
本発明はさらに、相応の装置において本発明の方法のステップを実施するよう構成された測定装置を提供する。本発明の測定装置の形態の実施例によっても、本発明の基礎となる課題を迅速及び効率的に解決することができる。
【００２４】
本発明による測定装置は、センサ信号を処理し、このセンサ信号に依存して制御信号及び／又はデータ信号を出力する電気機器と理解することができる。測定装置は、ハードウェア及び／又はソフトウェアによって構成可能なインターフェースを有することができる。ハードウェアによって構成する場合には、インターフェースは、測定装置の種々の機能を含む、例えばいわゆるシステムＡＳＩＣの一部とすることができる。しかしながらインターフェースを、独自の集積回路とすること、又は、少なくとも部分的にディスクリート部品から構成することも可能である。ソフトウェアによって構成する場合には、インターフェースは、例えばマイクロコントローラ上において他のソフトウェアモジュールの隣に存在するソフトウェアモジュールとすることができる。
【００２５】
半導体メモリのような機械読み出し可能な担体、ハードディスクメモリ、又は、光学式メモリ上に記憶させることが可能なプログラムコードであって、コンピュータ又は装置上で実行された場合に、上に説明した実施例に基づく方法を実施するために使用されるプログラムコードを備えた、コンピュータプログラムプロダクトも有利である。
【００２６】
以下、本発明の実施例を、添付図面に基づいてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の１つの実施例に基づく、半導体素子に接続された測定装置のブロック回路図である。
【図２】本発明の１つの実施例に基づく、半導体素子の半導体材料の状態を測定するための方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の１つの実施例に基づく、電圧パルスの電圧−時間の推移を示す線図である。
【図４】本発明の１つの実施例に基づく、検出された電流の電流−時間の推移を示す線図である。
【図５】本発明の１つの実施例に基づく、電圧パルス中における半導体材料の原子の状態変化を示す図である。
【図６】本発明の１つの実施例に基づいて多数の異なる電圧パルスを印加して検出された、半導体素子の特性マップを示す図である。
【実施例】
【００２８】
本発明の有利な実施例に関する以下の説明においては、異なる図面に図示した類似の機能を有する要素には同一又は類似の参照符号を使用し、この要素に関する説明の繰り返しは省略する。
【００２９】
図１は、本発明の１つの実施例に基づく測定装置１００のブロック図を示しており、測定装置１００には、本発明の１つの実施例に基づく半導体素子１０８が接続されている。測定装置１００は、印加装置１０２と、検出装置１０４と、特定装置１０６とを有する。測定装置１００は、半導体素子１０８を動作させ、テストするよう構成されている。半導体素子１０８は、基板コンタクト１１２（バルクコンタクト）と、電極１１４と、端子１１６とを備えた基板１１０を有する。基板１１０は、半導体材料からなる。半導体材料１１０には、気体の通流時に気体の少なくとも１つの気体成分を供給することができる。基板１１０は、第１の側に基板コンタクト１１２を有する。電極１１４は、第１側の反対側にある、基板１１０の第２の側に配置されている。電極１１４は、絶縁層１１８によって半導体材料から電気的に絶縁されている。電極１１４及び／又は絶縁層１１８は、化学感応性とすることができる。電極１１４は、コンタクトを介してコンタクト可能である。端子１１６は、基板１１０の第２の側にて、電極１１４の側方にずらされて配置されている。半導体材料は、端子１１６の領域において高ドープされており、従って良好な導電特性を有する。端子１１６は、電極１１４の周囲にリング形に配置することができる。印加装置１０２は、アースコンタクト１２０と、電極１１４とに接続されている。アースコンタクト１２０は、基準電位を有する。印加装置１２０は、電極１１４とアースコンタクト１２０との間で電圧を印加するよう構成されている。検出装置１０４は、基板電極１１２と端子１１６とに接続されている。検出装置１０４は、測定情報として端子１１６と基板コンタクト１１２との間で電流を検出するよう構成されている。端子１１６と検出装置１０４との間の接続線は、アースコンタクト１２０に接続されている。特定装置１０６は、印加装置１０２と検出装置１０４とに接続されている。特定装置１０６は、電圧と電流とを使用して半導体材料１１０の状態を特定するよう構成されている。印加装置１０２は、この実施例においては、第１電圧源１２２と第２電圧源１２４とを有する。第１電圧源１２２は、電圧の開始値として低電圧（ロー電圧）を供給するよう構成されている。第２電圧源１２４は、目標値として高電圧（ハイ電圧）を供給するよう構成されている。電極１１４に接続されたスイッチ１２６によって、これらの電圧源１２２，１２４の間で切替を行うことができる。印加装置１０２は、電圧によって測定パラメータを供給する。
【００３０】
図２は、図１に図示されているような本発明の１つの実施例に基づく半導体素子の材料成分の状態を測定するための方法２００を示すフローチャートである。方法２００は、印加ステップ２０２と、検出ステップ２０４と、特定ステップ２０６とを有する。方法２００は、図１に図示されているような測定装置において実施することができる。印加ステップ２０２では、半導体素子の絶縁された電極と、半導体素子のアースコンタクトとの間に電圧が印加される。検出ステップ２０４では、半導体素子の電極側に設けられた端子と、半導体素子の電極とは反対側に設けられた基板コンタクトとの間で電流が検出される。特定ステップ２０６では、電圧と電流とを使用して状態が特定される。
【００３１】
換言すると、図２は、化学感応性の"トランジスタ"を積極的な通電を行うことなく評価するための方法２００を示しており、"トランジスタ"がＦＥＴとして構成されている場合には、ソース端子がドレイン端子に導電的に接続されており、従ってゲートの下に電圧制御チャネルは形成されない。方法２００は、半導体ベースの別の化学的なガスセンサにおいて使用することも可能である。本発明で提供するアプローチに基づくチャージポンピング方法２００は、半導体−絶縁体−界面を評価するための特性評価方法である。この方法は、上述の"トランジスタ"のような半導体素子の製造時におけるプロセス制御及びプロセス評価のために使用することができる。この方法２００は、テスト済みの完成品において、その動作中に使用することも可能である。
【００３２】
化学感応性のトランジスタにおけるガス供給は、ゲートの物理特性を変化させる。通常、完成品では、ガス供給による変化を評価するためにトランジスタの伝達曲線が使用される。ガス供給によってトランジスタの動作点はシフトする。伝達曲線を測定するためには、トランジスタのソースとドレインの間に電流を流すことによって通電する必要がある。本発明で提供する方法は、この"トランジスタ"の通電を省略する。なぜなら、ソースとドレインとの間の短絡によって、ゲート電極の下の"チャネル"には電流の流れが生じないからである。
【００３３】
本発明では、電流の流れを測定するために、電流測定部１０４に接続された別個のベース／バルクコンタクト１１２が必要である。ソース端子は、ゲート端子と短絡させることができる。方法２００で使用される基準電位１２０と電極１１４との間の電圧レベルを、プロットすることができる。本発明で提供するアプローチは、トランジスタを有する全ての半導体ベースのセンサで使用することができ、特に、トランジスタを有する半導体ベースのガスセンサにおいて使用することができる。
【００３４】
図３は、本発明の１つの実施例に基づく電圧パルス３００の電圧−時間の推移を示す線図であり、この電圧パルス３００は、例えば図１の測定装置の電極に印加されるものである。線図の横軸には、経過時間がプロットされている。線図の縦軸には、図１に図示されているような半導体素子の材料成分の状態を測定するために、半導体素子の第１コンタクトと第２コンタクトとの間の電圧がプロットされている。電圧パルス３００は、時点ｔ１に、開始値Ｕ１である第１電圧値において開始する。電圧パルス３００は、所定の勾配乃至時間的上昇を有する立ち上がりエッジ３０２を有する。時点ｔ２において、電圧パルス３００は電圧Ｕ２を有し、フラットバンド電圧Ｖｆｂを上回る。フラットバンド電圧Ｖｆｂは、半導体材料におけるバンドの曲がりが存在しない電圧として定義される。時点ｔ３において、電圧パルス３００は電圧Ｕ３を有し、閾値電圧ＶＴを上回る。閾値電圧ＶＴは、半導体材料における電荷反転のために充分な電荷担体濃度を誘導する最も小さい外部印加電圧として定義される。時点ｔ４において、電圧パルス３００は、目標値Ｕ４である第２電圧値を有する。この実施例では、立ち上がりエッジ３０２は、第１電圧値Ｕ１と第２電圧値Ｕ４との間に一定の上り勾配を有する。時点ｔ４から時点ｔ５まで、第２電圧値Ｕ４は一定のままである。第２電圧値Ｕ４に留まっているｔ４からｔ５までの滞留時間は、予め定められている。時点ｔ５から、電圧パルス３００は、別の所定の勾配乃至時間的降下を有する立ち下がりエッジ３０４を有する。時点ｔ６において、電圧パルス３００は電圧Ｕ３を有し、閾値電圧ＶＴを下回る。時点ｔ７において、電圧パルス３００は電圧Ｕ２を有し、フラットバンド電圧Ｖｆｂを下回る。時点ｔ８において、電圧パルス３００は再び第２電圧値Ｕ１を有する。この実施例では、立ち下がりエッジ３０４は、第２電圧値Ｕ４と第１電圧値Ｕ１との間に一定の下り勾配を有する。換言すると図３は、電極に（ゲートに）印加される電圧のパルス形状を示している。
【００３５】
例えば第１電圧値Ｕ１は、−４Ｖとすることができる。フラットバンド電圧Ｖｆｂは、−２Ｖとすることができる。閾値電圧ＶＴは、１．２Ｖとすることができる。第２電圧値Ｕ４は、３Ｖとすることができる。時点ｔ１においては、０単位時間が経過したとすることができる。時点ｔ２においては、２単位時間が経過したとすることができる。時点ｔ３においては、５単位時間が経過したとすることができる。時点ｔ４においては、７単位時間が経過したとすることができる。時点ｔ５においては、９３単位時間が経過するとすることができる。時点ｔ６においては、９５単位時間が経過したとすることができる。時点ｔ７においては、９８単位時間が経過したとすることができる。時点ｔ８においては、１００単位時間が経過したとすることができる。
【００３６】
図４は、本発明の１つの実施例に基づく検出された電流４００の電流−時間の推移を示す線図である。図３と同じく、縦軸には経過時間がプロットされている。図３と図４には、同一の時間区分が図示されている。線図の横軸には、図１に図示したような半導体素子の端子と基板コンタクトとの間の電流値がプロットされている。電流４００は、時点ｔ１に電流値Ｉ１において開始する。時点ｔ１の後、電流４００は近似的に一定の下り勾配で降下する。時点ｔ２において、電流４００は電流値Ｉ２を有する。時点ｔ３まで、電流４００は電流値Ｉ２のまま一定に留まる。時点ｔ３の後、電流４００は急速に電流値Ｉ１に上昇し、それから時点ｔ６の直前まで電流値Ｉ１に留まる。時点ｔ６の後、電流４００は電流値Ｉ３に上昇する。電流４００は、電流値Ｉ１と電流値Ｉ３の間で立ち上がりエッジを有する。この立ち上がりエッジはまず急峻に上昇した後、平坦になり、最後には再び上昇する。電流値は、ほぼ時点ｔ７まで電流値Ｉ３に留まる。時点ｔ７の後、電流４００は時点ｔ８まで、電流値Ｉ３から電流値Ｉ１を若干上回る値まで降下する。換言すると図４は、チャージポンピング電流Ｉｃｐ４００を示している。
【００３７】
例えば電流値Ｉ１は、０Ａとすることができる。電流値Ｉ２は、−１Ａとすることができる。電流値Ｉ３は、２Ａとすることができる。
【００３８】
図５は、本発明の１つの実施例に基づく、電圧パルス中の半導体材料のエネルギ準位における充填−放出の過程を図示している。半導体材料は、異なる状態において、エネルギ範囲５１０と５１６との間の異なるエネルギ準位を有する。これらのエネルギ準位には、所定の電圧ポテンシャルが対応付けられている。印加ステップで印加された電圧が２つのエネルギ準位の間の電位差よりも大きい場合には、電荷担体が解放され、その結果、半導体材料に電流５１８，５２０が流れる。参照符号５０２は、伝導帯からエネルギ範囲への充填過程を示す。参照符合５０４は、エネルギ準位５１０と５１２の間のエネルギ範囲から伝導帯への部分的な放出を示す。参照符号５０６は、価電子帯からエネルギ準位５１２と５１４の間のエネルギ範囲への正電荷による充填過程を示す。参照符号５００は、エネルギ準位５１４と５１２の間のエネルギ範囲から半導体材料の価電子帯への部分的な放出を示す。
【００３９】
各チャージポンピングサイクルにおいて、図３に図示したような電流パルス３００が印加される。
【００４０】
閾値電圧ＶＴに達すると直ぐに反転チャネルが形成され、伝導帯において電荷担体濃度が上昇する。存在する格子欠陥は今や、伝導帯から充填することができる。
【００４１】
エッジが急速に降下すると、伝導帯への放出はもはや行われず、価電子帯の方向への放出が行われる。
【００４２】
トラップの相応の時定数によって、異なるバンドの充填及び放出が行われる。異なる電極（ソースコンタクト、ドレインコンタクト、並びに、バルクコンタクト）におけるバンド同士のコンタクトによって、２つの電極間で電流が流れる。この電流は最終的に、チャージポンピング電流４００と呼ばれる。
【００４３】
パルスにおいて閾値電圧ＶＴ又はフラットバンド電圧Ｖｆｂに達しなかった場合には、チャージポンピング電流は流れない。
【００４４】
図３，４，５は、本発明が提供するアプローチの基本概念を説明した図である。短絡されたソース端子とドレイン端子とを有する"トランジスタ"は、素子の動作点を測定するために、蓄積及び反転の異なる範囲においてパルスされる。素子の積極的な通電は行われないので、素子は測定によって熱的に変化されず、素子に対する"ストレス"である熱負荷は最小限になる。
【００４５】
素子の動作点の決定は、再結合電流４００を測定することによって実施される。再結合電流４００は、素子が完全に蓄積及び反転された場合にのみ生じる。このことはさらに、素子１０８の電流消費が低減されるという利点を有する。
【００４６】
フラットバンドに対して対称な制御を実施することも可能であり、従って、移動する電荷担体による変化が相殺される。移動する電荷担体は、例えば、半導体の上に位置する酸化物中に存在するアルカリイオンである。アルカリイオンは、酸化物との安定な化学結合を行わず、自身のサイズに基づき所定の温度から自由に移動可能となる。イオン化によってアルカリイオンは、外部印加電圧によって誘導された電界に従う。フラットバンド電圧が外部から印加される場合には、酸化物中の誘導電界はゼロに等しく、電圧は、フラットバンドの上乃至下で正電界乃至負電界を誘導し、この電界がイオンの移動を生じさせる。外部電圧がフラットバンド電圧の周囲で対称的に発振されると直ぐに、イオンは迅速に、同一の濃度で酸化物の各界面にシフトする。このようにして、この電荷による制御特性全体への影響を最小化することができる。
【００４７】
この結果得られる特性曲線を、図６に示す。
【００４８】
各パルス時に、所定量の電荷担体が電流測定装置１０４を流れる。これによって電流は、第１近似で印加周波数に比例する。
【００４９】
本発明で示した実施例の場合には、ジャージポンプ電流４００が流れるか否かがチェックされるだけである。トランジスタの動作点を決定するために、電圧レベルも変化される。
【００５０】
図６は、本発明の複数の実施例に基づき、多数の異なる電圧パルスによって検出された半導体センサの特性曲線を示す図である。この実施例では、半導体センサは、炭化ケイ素トランジスタである。縦軸には、図３に図示されているような第１電圧値Ｕ１がプロットされている。横軸には、図３に図示されているような第２電圧値Ｕ４がプロットされている。この実施例においては、開始値Ｖｌｏｗである第１電圧値Ｕ１は、−１６．５Ｖ〜０．５Ｖの範囲でプロットされており、その一方で、目標値Ｖｈｉｇｈである第２電圧値Ｕ４は、−６Ｖから１１．５Ｖの範囲でプロットされている。電圧値Ｕ１及びＵ４は、例えば図１の電圧源１２２，１２４によって供給することができる。線図の横には、Ｕ１からＵ４に変化した場合に結果として得られる電流（バルク電流）の５つの異なる電流値範囲を図示した凡例が示されている。第１電流値範囲は、１．５×１０−８Ａから１．０×１０−８の間の値を有する。第２電流値範囲は、１．０×１０−８Ａから１．０×１０−１０の間の値を有する。第３電流値範囲は、１．５×１０−１０Ａから１．０×１０−１２の間の値を有する。第４電流値範囲は、１．５×１０−１２Ａから１．０×１０−１４の間の値を有する。第５電流値範囲は、１．５×１０−１４Ａから１．０×１０−１６の間の値を有する。線図では、第１電圧値Ｕ１と第２電圧値Ｕ４の値ペアに対して、装置１０４によって測定された上述の範囲からのそれぞれ１つの電流値が対応付けられており、凡例に相応して示されている。この際、同じ電流値範囲を有する面が形成される。特性マップ内には、センサの測定範囲６００が示されている。測定範囲６００は四角形であり、この四角形の直線エッジは斜めに配向されている。測定範囲６００の中には、図１の半導体素子の動作点６０２を表す線６０２がプロットされている。線６０２は、縦軸に対して平行に配向されており、測定範囲６００の対向する２つの角を通って延在している。この実施例においては、動作点６０２は、３Ｖである第２電圧値Ｕ４にある。測定範囲６００の外側では電流は流れない。
【００５１】
図面に示して説明したこれらの実施例は、単なる１つの例として選択されている。複数の異なる実施例を、完全に又は個々の特徴に関連して、互いに組み合わせることが可能である。ある１つの実施例を、別の実施例の特徴によって補うことも可能である。
【００５２】
さらには、本発明の方法ステップを繰り返すこと、並びに、記載した順序とは異なる順序で実施することも可能である。
【００５３】
第１の特徴と第２の特徴とを結びつける「及び／又は」の接続詞が実施例に含まれている場合には、この実施例は、第１の特徴も第２の特徴も有する実施形態、第１特徴のみ又は第２特徴のみを有する実施形態を含むことができる。
【図１】
2014032197.tif 000003
【図２】
2014032197.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年10月2日(2013.10.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の少なくとも１つの流体成分が供給される半導体素子（１０８）において、
前記半導体素子（１０８）は、基板（１１０）と、電極（１１４）と、端子（１１６）とを有し、
前記基板（１１０）は、半導体材料（１１０）からなり、前記基板（１１０）は、第１の側に基板コンタクト（１１２）を有し、
前記電極（１１４）は、前記基板（１１０）の第２の側に配置されており、化学感応性の絶縁層（１１８）によって、前記半導体材料（１１０）とは電気的に絶縁されており、
前記端子（１１６）は、該端子（１１６）と前記基板コンタクト（１１２）との間の電圧を測定するためのものであり、前記端子（１１６）は、前記基板（１１０）の前記第２の側にて、前記電極（１１４）の側方にずらされて配置されており、
前記半導体材料（１１０）は、前記端子（１１６）の領域において導電性になるようドープされている、
ことを特徴とする半導体素子（１０８）。
【請求項２】
前記端子（１１６）は、前記電極（１１４）の周囲にリング形に形成されている、ことを特徴とする請求項１記載の半導体素子（１０８）。
【請求項３】
前記基板コンタクト（１１２）は、前記基板（１１０）の第１主平面に配置されており、前記端子（１１６）は、前記第１主平面の反対側にある前記基板（１１０）の第２主平面に配置されている、ことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体素子（１０８）。
【請求項４】
前記電極（１１４）及び／又は前記絶縁層（１１８）は、前記少なくとも１つの流体成分に対して、少なくとも部分的に透過性である、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の半導体素子（１０８）。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項記載の半導体素子（１０８）の半導体材料（１１０）の状態を測定するための方法（２００）において、
前記電極（１１４）と基準電位（１２０）との間に電圧（３００）を印加する、印加ステップ（２０２）と、
前記端子（１１６）と前記基板コンタクト（１１２）との間で電流（４００）を検出する、検出ステップ（２０４）と、
前記電圧（３００）と前記電流（４００）とを使用して前記半導体材料（１１０）の状態を特定する、特定ステップ（２０６）と、
を有することを特徴とする方法（２００）。
【請求項６】
前記印加ステップ（２０２）において、前記電圧（３００）を、電圧パルスとして印加し、前記電圧パルスは、開始値（Ｕ１）から目標値（Ｕ４）へ所定の時間的上昇を有する立ち上がりエッジ（３０２）を有する、及び／又は、前記目標値（Ｕ４）から前記開始値（Ｕ１）へ所定の時間的降下を有する立ち下がりエッジ（３０４）を有する、ことを特徴とする請求項５記載の方法（２００）。
【請求項７】
前記印加ステップ（２０２）において、前記電圧パルス（３００）は、前記開始値（Ｕ１）での所定の第１滞留時間を有する、及び／又は、前記目標値（Ｕ４）での所定の第２滞留時間を有する、ことを特徴とする請求項５又は６記載の方法（２００）。
【請求項８】
前記印加ステップ（２０２）において、少なくとも１つの別の電圧パルス（３００）が印加される、ことを特徴とする請求項６又は７記載の方法（２００）。
【請求項９】
前記印加ステップ（２０２）において、前記別の電圧パルス（３００）は、別の開始値及び／又は別の目標値を有する、ことを特徴とする請求項８記載の方法（２００）。
【請求項１０】
前記別の電圧パルス（３００）は、前記別の開始値での別の第１滞留時間を有する、及び／又は、前記別の目標値での別の第２滞留時間を有する、ことを特徴とする請求項９記載の方法（２００）。
【請求項１１】
前記印加ステップ（２０２）において、前記別の電圧パルス（３００）は、前記電圧パルス（３００）とは異なるパルス形状を有する、ことを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項記載の方法（２００）。
【請求項１２】
前記検出ステップ（２０４）において、前記電流（４００）の時間推移を検出し、前記時間推移（４００）を、少なくとも前記電圧（３００）の印加時間に亘って検出する、ことを特徴とする請求項５から１１のいずれか一項記載の方法（２００）。
【請求項１３】
請求項１から４のいずれか一項記載の半導体素子（１０８）の半導体材料（１１０）の状態を測定するための測定装置（１００）において、
前記電極（１１４）と基準電位（１２０）との間に電圧（３００）を印加する、印加装置（１０２）と、
前記端子（１１６）と前記基板コンタクト（１１２）との間で電流（４００）を検出する、検出装置（１０４）と、
前記電圧（３００）と前記電流（４００）とを使用して前記半導体材料（１１０）の状態を特定する、特定装置（１０６）と、
を備えることを特徴とする測定装置（１００）。
【請求項１４】
前記印加装置（１０２）は、前記電圧（３００）を、電圧パルスとして印加し、前記電圧パルスは、開始値（Ｕ１）から目標値（Ｕ４）へ所定の時間的上昇を有する立ち上がりエッジ（３０２）を有する、及び／又は、前記目標値（Ｕ４）から前記開始値（Ｕ１）へ所定の時間的降下を有する立ち下がりエッジ（３０４）を有する、ことを特徴とする請求項１３記載の測定装置（１００）。
【請求項１５】
前記電圧パルス（３００）は、前記開始値（Ｕ１）での所定の第１滞留時間を有する、及び／又は、前記目標値（Ｕ４）での所定の第２滞留時間を有する、ことを特徴とする請求項１３又は１４記載の測定装置（１００）。
【請求項１６】
前記印加装置（１０２）は、前記電極（１１４）と基準電位（１２０）との間に少なくとも１つの別の電圧パルス（３００）を印加する、ことを特徴とする請求項１４又は１５記載の測定装置（１００）。
【請求項１７】
前記別の電圧パルス（３００）は、別の開始値及び／又は別の目標値を有する、ことを特徴とする請求項１６記載の測定装置（１００）。
【請求項１８】
前記別の電圧パルス（３００）は、前記別の開始値での別の第１滞留時間を有する、及び／又は、前記別の目標値での別の第２滞留時間を有する、ことを特徴とする請求項１７記載の測定装置（１００）。
【請求項１９】
前記別の電圧パルス（３００）は、前記電圧パルス（３００）とは異なるパルス形状を有する、ことを特徴とする請求項１６から１８のいずれか一項記載の測定装置（１００）。
【請求項２０】
前記検出装置（１０４）は、前記電流（４００）の時間推移を検出し、前記時間推移（４００）を、少なくとも前記電圧（３００）の印加時間に亘って検出する、ことを特徴とする請求項１３から１９のいずれか一項記載の測定装置（１００）。
【請求項２１】
コンピュータ又は測定装置（１００）上で実行された場合に、請求項５から１２のいずれか一項記載の方法（２００）の各ステップを制御又は実施するためのプログラムコードを有する、コンピュータプログラム。