用于高温应用的基于碳化硅的场效应气体传感器制造技术

一种用于检测气体混合物中气态物质存在的场效应气体传感器，该场效应气体传感器包括：SiC半导体结构；覆盖SiC半导体结构的第一部分的电子绝缘层；与SiC半导体结构通过电子绝缘层至少部分分离的第一接触结构；以及导电地连接于SiC半导体结构的第二部分的第二接触结构，其中电子绝缘层和第一接触结构的至少之一被构造为与气态物质相互作用从而改变SiC半导体结构的电性能；并且其中第二接触结构包括：与SiC半导体结构的第二部分直接接触的欧姆接触层；以及通过覆盖欧姆接触层的导电中间‑过渡‑金属氧化物形成的阻挡层。

SiC Based field effect gas sensor for high temperature application

A gas sensor for field effect exists in the gaseous mixture of gaseous substances detection, the gas sensor includes a SiC field effect semiconductor electronic structure; the first part of the insulating layer covers the SiC semiconductor structure; and the first contact structure of SiC semiconductor structure through electronic insulating layer at least partially separated; the second part of the second conductive contact structure and the SiC is connected to the semiconductor structure, wherein at least one of the electrical insulation layer and the first contact structure is constructed and the gaseous substances interact to alter the electrical properties of SiC semiconductor structure; and second of them including: ohmic contact structure in direct contact with the second part SiC of the semiconductor structure formed by a conductive contact layer; and the middle transition metal oxide covering the ohmic contact layer and the barrier layer.

【技术实现步骤摘要】
用于高温应用的基于碳化硅的场效应气体传感器
本专利技术涉及一种基于碳化硅(SiC)的场效应气体传感器和制造这种气体传感器的方法。
技术介绍
宽带隙(widebandgap)半导体材料例如碳化硅(SiC)最近在用于高温以及高功率应用的装置和电子仪器改进方面引起了很多兴趣。当前兴趣的一个示例涉及对用于将电网储能设备连接于主要基于可再生的间歇能量来源例如风和浪的电网的功率电子学的要求。宽带隙(4H-SiC情况下3.2eV，其是用于装置制造的最常见多型体)使得能够比基于硅的装置在更高的温度情况下运行，与涉及掺杂的载流子浓度相比内在载流子生成，以及pn-结漏电流甚至在超过600℃下也微不足道。此外，SiC具有3倍的Si热传导率，以便更容易传递任何内在生成的热量连同对热量管理方面更高的许可工作温度的放宽要求。此外，SiC具有3倍的Si热传导率，便于任何内在生成的热量的更容易传递连同对热量管理方面更高的许可工作温度的放宽要求。与基于Si的电子仪器装置/系统相比，用于SiC的被动/主动冷却的尺寸和重量的大幅度缩减是例如用于电动/混合电动车辆(HEV)或火车发动机的转换器应用特别感兴趣的，对其来说周围温度可能极高并且任何附加重量直接导致“燃料消耗量增大”。其温度相关的特性使得SiC的兴趣还涉及低电压高温应用的装置，例如用于石油的IC、天然气和地热井钻探遥测、电机驱动的电子仪器、宇宙开发以及由于材料的化学惰性用于不同的物理和化学传感器例如压力和气体传感器。燃烧过程，例如内燃汽车发动机、发电站、区域加热厂、燃气轮机以及家庭加热设备中的燃烧过程通常导致例如氧化氮、碳氢化合物以及一氧化碳的排放，特别是如果过程没有优化或控制。通常地，燃烧过程还导致生成氧化氮并且释放燃料结合氮和氧化硫，其一般通过燃烧后工艺例如催化转化和湿法洗涤来减少排放物。为了降低排放物进行的优化和控制燃烧过程以及任何燃烧后措施需要监控和确定某些气态物质例如排气或烟气中的CO、NO、NO2。但是，由于所述过程中遇到的苛刻条件如高温、振动和腐蚀环境，关于这种监控和确定的现有选择是非常有限的。大多数固态气体传感器不能在苛刻条件下操作或存在长期稳定性问题。例如，在排气再循环(EGR)的特定应用中，目前不存用于控制排气再循环(常常被称为吸入氧传感器)的令人满意的氧传感器。由于发动机进气室内主要的特殊条件，任何种类传感器例如经受凝结水、煤烟和油渣，目前用于排气或烟气氧浓度评价的通用排气氧气(UEGO)传感器不能耐得住遇到的状况并且不能满足汽车工业设定的对可靠性的要求。基于电阻型半导体金属氧化物的传感器(通常由材料如氧化锡-SnO2制造而成)通常地也在该特定应用以及其它排气/烟气监控和燃烧过程控制应用中占优势的条件下经受长期稳定性问题同时选择性差。很多其它种类的传感器技术需要在经过传感器之前对气体采样、冷却和/或过滤，例如基于电化学电池的传感器技术。已经研制的不同种类的光学传感器是十分昂贵的并且当引导传感器的激光束至期望位置时受到不期望的空间波动(也称为“光束摆动”或“指向不稳定”)以及长期稳定性问题。由基于SiC的场效应器件制造的气体传感器利用上述材料的性质，在上下文中代表测量来自高温或恶劣环境过程的主要排气/烟气成分或其它气体组成的有前途的传感器技术，例如US7053425公开的传感器装置。场效应气体传感器的基本设计也在例如如下文献中给出：SavageS.M.等，Mater.Sci.Forum，353-356(2001)，747-752页。通常地，基于晶体管的场效应气体传感器中的传感机制是如下实现的：在源与漏极触点之间施加电压并且电压使得电流流过通道区域。能够与感兴趣物质相互作用使得一旦相互作用则改变从门到半导体的电场的材料被用作装置的门触点，并且被放置在通道区域之上的绝缘层顶部上。从门触点到半导体的电场又调整通道内的电流。例如，如果场效应气体传感器用于检测H2气体，则门触点被选择为有利于氢分子在其表面上的游离吸附，产生穿过金属门触点快速扩散的氢原子，以偏振羟基(-OH)群组的形式吸附在金属/绝缘体界面处的氧化物表面上。界面处的该极性层改变了来自接触的电场从而改变了通过通道的电流从而电流的变化反映了界面处与外界氢浓度直接相关的氢覆盖率。在改变门触点和绝缘体材料成分和结构以及装置工作温度和门偏置时，基于SiC的场效应传感器也可被定制以便检测与烟气和排气监控有关的不同气态物质。对用于该应用领域的这种装置的兴趣增加也主要由于针对汽车行业收紧的排放物立法所致，特别是由于对监控例如排气NOx和颗粒物质(PM)浓度方面的精确度需求增加所致。为了满足有关NOx排放量的要求，期望燃烧后的后处理措施的闭环控制，也被称为氧化氮通过氨水(包括在热排出气流中释放水溶性尿素，其中它形成与NOx反应以产生无害氮气N2和水H2O)的选择性催化还原(SCR)。为了实现尿素配料的这种闭环控制，为了获得超高水平的NOx还原而不产生大量NH3排放物(其释放将导致在大气中形成NOx)，必须准确地监控NOx或NH3(或优选二者)的下游排气浓度。目前市场上可买到的选择中，基于上述UEGO传感器的同一种基本传感器技术——测量电流的YSZ(氧化钇稳定的二氧化锆)固体电解质测氧仪技术的仅一种传感器能够可靠地检测和监控SCR系统下游的排气NOx浓度。但是该传感器技术遭受与氨水相当大的交叉敏感性，使得下游NOx浓度的直接精确测量变得复杂。作为监控排气氨浓度的唯一真正有前途的传感器技术基于SiC场效应传感器平台，其也得益于与NOx的极低交叉敏感性，藉此当与基于传感器技术的YSZ固体电解质结合时使得可能实现NOx和NH3的精确测定。除了NH3监控外，基于SiC的场效应传感器平台也是NOx和PM以及O2传感器元件的改进感兴趣的，一点也不涉及上述EGR控制应用。由于在其表面上微水滴撞击所致的其良好的热稳定性，基于SiC的场效应传感器平台是实现这种进气氧传感器的有前途候选物。在这些以及NH3监控应用中，传感器元件不得不承受例如在粒子滤波器的再生期间在600℃的温度和超过600℃极短时间内的经受或操作。同样其它应用领域也对高温操作的基于SiC场效应器件气体传感器感兴趣，例如监控不同物质例如CO、O2和SOx的烟气浓度以控制燃烧过程和烟气后处理系统以及不同其它步骤，示例包括(而不限于)化学制品的处理、炼油、生物质燃料制造、CO2封存和存储过程、燃料革新和燃料电池监控以及控制等等。此外，基于SiC场效应器件的高温气体传感器的间歇操作也被证明是用于环境监测和医学诊断领域感兴趣的。但是，场效应气体传感器或其它种类的离散半导体装置或基于SiC的IC均为在真正高温应用(>450℃)下建立任何商业上的成功，主要由于可靠性问题。考虑到包括传感器的长期可靠的高温装置操作，普遍的关键问题是例如匹配装置中合并的材料的热膨胀和导热性以及电线、接触和保护性钝化/包封材料的高温(和特别地温度循环)耐久性。对于低压高温的装置来说，长期劣变背后的最主要原因在于模片固定和接触故障，后者是由于当氧气扩散通过金属罩盖层时用于电欧姆接触以及电线/焊垫堆叠的保护性罩盖和/或钝化层的金属化和欧姆接触的连续重组/氧化的劣变所致。虽然已经采取措施提高基于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测气体混合物中气态物质存在的场效应气体传感器，所述场效应气体传感器包括：SiC半导体结构；电子绝缘层，覆盖所述SiC半导体结构的第一部分；通过所述电子绝缘层与所述SiC半导体结构至少部分分离的第一接触结构；以及第二接触结构，导电地连接于所述SiC半导体结构的不同于所述第一部分的第二部分，其中，所述电子绝缘层和所述第一接触结构的至少之一被构造为与所述气态物质相互作用以改变所述SiC半导体结构的电性能；并且其中，所述第二接触结构包括：与所述SiC半导体结构的第二部分直接接触的欧姆接触层；以及覆盖所述欧姆接触层的阻挡层，所述阻挡层由导电的中间‑过渡‑金属氧化物形成。

【技术特征摘要】
2016.07.08 EP 16178557.11.一种用于检测气体混合物中气态物质存在的场效应气体传感器，所述场效应气体传感器包括：SiC半导体结构；电子绝缘层，覆盖所述SiC半导体结构的第一部分；通过所述电子绝缘层与所述SiC半导体结构至少部分分离的第一接触结构；以及第二接触结构，导电地连接于所述SiC半导体结构的不同于所述第一部分的第二部分，其中，所述电子绝缘层和所述第一接触结构的至少之一被构造为与所述气态物质相互作用以改变所述SiC半导体结构的电性能；并且其中，所述第二接触结构包括：与所述SiC半导体结构的第二部分直接接触的欧姆接触层；以及覆盖所述欧姆接触层的阻挡层，所述阻挡层由导电的中间-过渡-金属氧化物形成。2.根据权利要求1所述的场效应气体传感器，其中，所述导电的中间-过渡-金属氧化物从由氧化铱和氧化铑组成的群组中选择。3.根据权利要求1或2所述的场效应气体传感器，其中，SiC半导体结构的所述第二部分是掺杂的。4.根据权利要求3所述的场效应气体传感器，进一步包括第三接触结构，第三接触结构导电地连接于所述SiC半导体结构的不同于所述第一部分和所述第二部分的第三部分，其中：所述第三接触结构包括：与所述SiC半导体结构的第三部分直接接触的欧姆接触层；以及覆盖所述欧姆接...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·安德松，H·法尚迪，
申请(专利权)人：沃尔沃汽车公司，
类型：发明
国别省市：瑞典,SE