一種氣體傳感器的傳感元件的製作方法

2023-06-17 06:34:36 2

專利名稱：一種氣體傳感器的傳感元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及根據獨立權利要求前序部分所述的用於確定混合氣體尤其是內燃機 廢氣中氣體成分的氣體傳感器的傳感元件、製造所述傳感元件的方法以及其應用。
背景技術：
主要將場效應電晶體用於確定混合氣體中的氣體成分。在此，例如場效應電晶體 的柵極或柵極電極對待確定氣體成分能夠作出敏感反應，從而使得施加在柵極電極上的控 制電壓發生變化。可檢測場效應電晶體源極和漏極電極之間出現的電流的變化，並且將其 對應於待確定氣體成分的濃度。例如由DE 102005010454A1可知一種這樣的氣體傳感器。在此，柵極電極具有一 種酸性或鹼性餘層，該酸性或鹼性塗層能提高氣體傳感器對火災相關氣體的敏感度。缺點 是只能檢測PH活性氣體。不可能在對碳氫化合物沒有多大交叉敏感性的情況下確定廢氣 成分。這種實施為場效應電晶體的傳感元件的選擇性或敏感性是多種因素的複雜產物， 例如柵極電極的單一成分的組合物。屬於其的例如有被實施為貴金屬鍍層的柵極金屬化 結構或者被設置在柵極金屬化結構與半導體襯底之間的絕緣層。

發明內容
本發明的任務在於，提供一種用於確定混合氣體中氣體成分的傳感元件，包括場 效應電晶體，該場效應電晶體由於在柵極電極區域中的適當的邊界層而對待確定的氣體成 分特別敏感。具有獨立權利要求特徵部分的特徵的傳感元件或者利用所請求的方法製造的 傳感元件以有利的方式解決了本發明的任務。集成於傳感元件之中的場效應電晶體包 括具有柵極金屬化結構的柵極電極，柵極金屬化結構通過邊界層與絕緣層或者場效應晶 體管的半導體襯底接觸，其中以化學方法通過對絕緣層或者半導體襯底進行表面改性來 產生所述的邊界層。為此，尤其適合對金屬醇鹽、金屬氨化物、金屬滷化物或者金屬烷基 (Metallalkylen)進行處理。本發明的其它有益實施方式由從屬權利要求得到。適宜由氮化矽製成絕緣層。這種材料始終在有限程度上具有可用於化學改性的遊 離Si-OH-基團。它們在改性過程中與所使用的金屬醇鹽、金屬氨化物、金屬滷化物或金屬 烷基進行反應。此外，還適宜用塗覆鈦或鍺醇鹽的方式進行表面改性。所述醇鹽易於水解，並且在 後續熱處理中形成穩定並且化學惰性的複合層。同樣也可使用鈦或者鉍的二烷基氨化物 (Dialkylamiden)或二甲基甲矽烷基氨化物(Dimethylsilylamiden)。即使在使用四烷基 鍺化合物的情況下，也能以可簡單地進行的表面改性方式來產生邊界層。除此之外，有利的是在使用金屬氨化物來產生邊界層的情況下，在所施加的金屬氨化物水解並且脫水之後，使用一種無機酸在一種醇中的混合物進行處理。以這種方式能 夠順利溶出還在表面塗層中所含的胺。所述傳感元件以有利的方式被用來確定內燃機、發電設備或者採暖設備的廢氣中 的氣體成分。其還以有利的方式適合用來檢查NOX-儲存式催化轉換器或者SCR-廢氣後處 理系統的性能。


在附圖中示出、並且在下列的描述中詳細解釋本發明的實施例。附圖示出附圖1本發明第一實施方式所述傳感元件的示意性剖面圖附圖2在柵極材料的化學改性中規定的工藝步驟的示意性順序圖。
具體實施例方式附圖1所示為按照本發明第一種實施例的傳感元件。傳感元件10優選實施為場 效應電晶體(FET)或者化學敏感場效應電晶體(CHEMFET)。場效應電晶體形式的傳感元件 10包括例如由氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵鋁或者碳化矽製成的半導體襯底22。相應地適合地 摻雜或含有這些材料，例如在氮化鎵的情況下可摻雜或含有幾納米厚度的氮化鎵鋁層。半 導體襯底22設置有源極電極的觸點沈和漏極電極的觸點23。此外，傳感元件10還包括 柵極金屬化結構27，其通過例如由氮化矽製成的絕緣層M與半導體材料22物理接觸。這 裡，所述絕緣層對用來阻止柵極漏電流以及阻止可能發生的電遷移。以這種方式可確保電 氣運行，並且能夠實現簡單的信號分析。如果以適當方式將柵極金屬化結構27設計為，使其對待測氣體成分敏感，那麼施 加在源極電極觸點26和柵極金屬化結構27之間的電壓Ugs在其高低上就會隨待確定氣體 成分的濃度而變化。此外按照本發明，通過在絕緣層M與柵極金屬化結構27之間設置一個邊界層25， 就能提高由半導體襯底22、絕緣層M與柵極金屬化結構27所形成的柵極電極的敏感度。 按照一種可替換的實施方式，也可以放棄使用單獨的絕緣層對。在這種情況下，邊界層25 在其一側上緊鄰半導體襯底22的材料，在相對的一側上則緊鄰柵極金屬化結構27。按照本發明，通過尤其在柵極區域內以適當方式使用金屬醇鹽、金屬氨化物、金屬 滷化物和/或金屬烷基對絕緣層M或半導體襯底22進行處理，來產生邊界層25。在使用 上述金屬化合物對絕緣層M或半導體襯底22的表面進行處理時，絕緣層M或半導體襯底 22材料表面附近的羥基就會與上述金屬化合物發生反應。如果絕緣層M或半導體襯底22 的表面具有的表面附近的羥基密度過小，則可以通過氧化法或熱液法有的放矢地提高其數 量。此外，必要時可在較高溫度下使用反應活性更強的金屬烷基或金屬氨化物替代所述的 醇鹽。附圖2中示出了用於產生邊界層25的層結構所基於的方法。這裡，示例性地給絕 緣層M設置有邊界層25的示例，但也可以用相同方式給場效應電晶體的半導體襯底22設 置相應的邊界層25。為了在場效應電晶體的絕緣層M主面上或者在其半導體襯底22上產生邊界層 25，可使用一種金屬醇鹽、金屬氨化物、金屬滷化物和/或金屬烷基對其表面進行處理。在此，所述金屬化合物與絕緣層M或半導體襯底22表面上的游離羥基進行反應。在附圖2 中，以第一反應步驟30的形式針對鈦四(二烷基氨化物)的反應示例性地闡述這種反應的 過程。如果絕緣層M或半導體襯底22表面存在上的羥基數量不夠充分，則可以在利用 上述金屬化合物之一進行處理之前，以高溫置於空氣中的形式進行預處理，或者在水蒸氣 氛圍中進行預處理。例如在另一個反應步驟32中首先使得利用所述金屬化合物改性後的絕緣層M或 半導體襯底22的表面水解，然後進行脫水反應。結果產生含有羥基的金屬氧化物網絡。在 此，這種反應模式原則上可以任意頻繁地執行，其中可以通過重複反應步驟30、32來有目 的地調節所產生的邊界層25的層厚度。尤其適宜作為金屬化合物的例如有鈦醇鹽形式的金屬醇鹽，所述鈦醇鹽如二氯 二異丙醇鈦、或者四異丙醇鈦；以及鍺醇鹽如四乙氧基鍺(Tetraethoxigermanium)。此外， 可作為金屬化合物的還有金屬氨化物例如鈦雙二烷基氨化物或者鈦四二烷基氨化物例如 鈦四(二乙基氨化物)或者鈦四(二甲基氨化物)，以及鈦二(二甲基甲矽烷基氨化物)、 鈦四(二甲基甲矽烷基氨化物)或者鉍二(三甲基甲矽烷基氨化物)(Bismutbisarimeth ylsilylamide))0最後，適合作為金屬化合物的還有金屬烷基例如四烷基鍺化合物。例如可以按照以下實施例執行附圖2所示的方法。將由氮化矽構成的絕緣層M的表面浸入每升一毫摩爾濃度的鈦四(二甲基氨化 物)的己烷溶液之中，然後用己烷衝洗。接著在大約400°C溫度下將場效應電晶體置於空氣 中加熱一小時。將這一總過程重複執行共三次。結果則產生邊界層25，該邊界層25通過關 於絕緣層M的基底材料的雜質元素氧化物的橫向規則的單分子或低分子層而形成。最終 將貴金屬金屬化結構作為柵極金屬化結構27施加到所產生的邊界層25上。因為在使用金屬氨化物的情況下通常在後續水解過程中無法首先從為了構成邊 界層25而被處理的表面上完全去除形成的所有胺類，所以隨後例如可以用比例為100 1 的乙醇和鹽酸混合液來處理場效應電晶體。以這種方式產生的傳感元件10特別適合用來確定混合氣體中的氣體成分，例如 內燃機、採暖設備和發電廠應用的廢氣中的氣體成分。這種傳感元件尤其適合用來檢測燃 燒廢氣中的氮氧化物，例如可用於機動車的車載診斷系統，或者用於監測廢氣淨化系統例 如氮氧化物存儲式催化器或SCR系統。
權利要求
1.一種用於確定混合氣體中氣體成分的氣體傳感器的傳感元件，包括具有源極電極、 漏極電極以及柵極電極的場效應電晶體，其特徵在於，所述柵極電極包括柵極金屬化結構 (27)，該柵極金屬化結構(XT)通過邊界層0 與絕緣層04)或者與場效應電晶體的半導 體襯底0 接觸，其中通過利用金屬醇鹽、金屬氨化物、金屬滷化物和/或金屬烷基對絕緣 層04)或者半導體襯底0 進行表面改性來形成邊界層05)。
2.根據權利要求1所述的傳感元件，其特徵在於，所述絕緣層04)用氮化矽製成。
3.根據權利要求1或2所述的傳感元件，其特徵在於，所述金屬氧化物是鈦醇鹽或者鍺 醇鹽。
4.根據權利要求1 3中任一項所述的傳感元件，其特徵在於，所述金屬氨化物是鈦 (二烷基氨化物)、鈦四二烷基氨化物、鈦(雙(二甲基甲矽烷基)氨化物)或者鉍(雙(三 甲基甲矽烷基)氨化物)。
5.根據上述權利要求中任一項所述的傳感元件，其特徵在於，所述金屬烷基是四烷基 鍺化合物。
6.一種用於製造用於確定混合氣體中氣體成分的氣體傳感器的傳感元件的方法，尤其 是用於製造權利要求1 5中任一項所述傳感元件的方法，其中將邊界層集成在場效應晶 體管的柵極電極之中，其特徵在於，為了形成邊界層(25)，用金屬氧化物、金屬氨化物、金屬 滷化物和/或金屬烷基對半導體襯底0 或絕緣層04)的表面進行處理。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，在用金屬氧化物、金屬氨化物、金屬滷化 物和/或金屬烷基進行處理之後，在第二步驟中進行水解，然後對所施加的金屬氧化物、金 屬氨化物、金屬滷化物和/或金屬烷基進行脫水。
8.根據權利要求6或7所述的方法，其特徵在於，在第三步驟中用無機酸和醇的混合物 進行處理。
9.使用權利要求1 5中任一項所述的傳感元件來確定內燃機、發電設備或者採暖設 備的廢氣中的氣體成分。
10.使用權利要求1 5中任一項所述的傳感元件監測NOx存儲式催化器或者SCR廢 氣後處理系統的性能。
全文摘要
本發明涉及一種用於確定混合氣體中氣體成分的氣體傳感器的傳感元件，其包括具有源極電極、漏極電極以及柵極電極的場效應電晶體。柵極電極包括一個通過邊界層(25)與絕緣層(24)或者與場效應電晶體的半導體襯底(22)接觸的柵極金屬化結構(27)，其中使用金屬醇鹽、金屬氨化物、金屬滷化物和/或金屬烷基對絕緣層(24)或者半導體襯底(22)進行表面改性的方式形成邊界層(25)。本發明還涉及一種製造上述傳感元件的方法。
文檔編號G01N27/414GK102099673SQ200980103270
公開日2011年6月15日 申請日期2009年1月7日 優先權日2008年1月28日
發明者D·埃爾貝, M·維登邁耶 申請人:羅伯特.博世有限公司