專利名稱：一種氣體傳感器的傳感元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求前序部分所述的用于確定混合氣體尤其是內(nèi)燃機(jī) 廢氣中氣體成分的氣體傳感器的傳感元件、制造所述傳感元件的方法以及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
主要將場(chǎng)效應(yīng)晶體管用于確定混合氣體中的氣體成分。在此，例如場(chǎng)效應(yīng)晶體管 的柵極或柵極電極對(duì)待確定氣體成分能夠作出敏感反應(yīng)，從而使得施加在柵極電極上的控 制電壓發(fā)生變化。可檢測(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極和漏極電極之間出現(xiàn)的電流的變化，并且將其 對(duì)應(yīng)于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 種酸性或堿性余層，該酸性或堿性涂層能提高氣體傳感器對(duì)火災(zāi)相關(guān)氣體的敏感度。缺點(diǎn) 是只能檢測(cè)PH活性氣體。不可能在對(duì)碳?xì)浠衔餂]有多大交叉敏感性的情況下確定廢氣 成分。這種實(shí)施為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的傳感元件的選擇性或敏感性是多種因素的復(fù)雜產(chǎn)物， 例如柵極電極的單一成分的組合物。屬于其的例如有被實(shí)施為貴金屬鍍層的柵極金屬化 結(jié)構(gòu)或者被設(shè)置在柵極金屬化結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體襯底之間的絕緣層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種用于確定混合氣體中氣體成分的傳感元件，包括場(chǎng) 效應(yīng)晶體管，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管由于在柵極電極區(qū)域中的適當(dāng)?shù)倪吔鐚佣鴮?duì)待確定的氣體成 分特別敏感。具有獨(dú)立權(quán)利要求特征部分的特征的傳感元件或者利用所請(qǐng)求的方法制造的 傳感元件以有利的方式解決了本發(fā)明的任務(wù)。集成于傳感元件之中的場(chǎng)效應(yīng)晶體管包 括具有柵極金屬化結(jié)構(gòu)的柵極電極，柵極金屬化結(jié)構(gòu)通過邊界層與絕緣層或者場(chǎng)效應(yīng)晶 體管的半導(dǎo)體襯底接觸，其中以化學(xué)方法通過對(duì)絕緣層或者半導(dǎo)體襯底進(jìn)行表面改性來 產(chǎn)生所述的邊界層。為此，尤其適合對(duì)金屬醇鹽、金屬氨化物、金屬鹵化物或者金屬烷基 (Metallalkylen)進(jìn)行處理。本發(fā)明的其它有益實(shí)施方式由從屬權(quán)利要求得到。適宜由氮化硅制成絕緣層。這種材料始終在有限程度上具有可用于化學(xué)改性的游 離Si-OH-基團(tuán)。它們?cè)诟男赃^程中與所使用的金屬醇鹽、金屬氨化物、金屬鹵化物或金屬 烷基進(jìn)行反應(yīng)。此外，還適宜用涂覆鈦或鍺醇鹽的方式進(jìn)行表面改性。所述醇鹽易于水解，并且在 后續(xù)熱處理中形成穩(wěn)定并且化學(xué)惰性的復(fù)合層。同樣也可使用鈦或者鉍的二烷基氨化物 (Dialkylamiden)或二甲基甲硅烷基氨化物(Dimethylsilylamiden)。即使在使用四烷基 鍺化合物的情況下，也能以可簡(jiǎn)單地進(jìn)行的表面改性方式來產(chǎn)生邊界層。除此之外，有利的是在使用金屬氨化物來產(chǎn)生邊界層的情況下，在所施加的金屬氨化物水解并且脫水之后，使用一種無機(jī)酸在一種醇中的混合物進(jìn)行處理。以這種方式能 夠順利溶出還在表面涂層中所含的胺。所述傳感元件以有利的方式被用來確定內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電設(shè)備或者采暖設(shè)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(chǔ)存式催化轉(zhuǎn)換器或者SCR-廢氣后處 理系統(tǒng)的性能。


在附圖中示出、并且在下列的描述中詳細(xì)解釋本發(fā)明的實(shí)施例。附圖示出附圖1本發(fā)明第一實(shí)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(xué)改性中規(guī)定的工藝步驟的示意性順序圖。
具體實(shí)施例方式附圖1所示為按照本發(fā)明第一種實(shí)施例的傳感元件。傳感元件10優(yōu)選實(shí)施為場(chǎng) 效應(yīng)晶體管(FET)或者化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(CHEMFET)。場(chǎng)效應(yīng)晶體管形式的傳感元件 10包括例如由氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵鋁或者碳化硅制成的半導(dǎo)體襯底22。相應(yīng)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(dǎo)體襯底22設(shè)置有源極電極的觸點(diǎn)沈和漏極電極的觸點(diǎn)23。此外，傳感元件10還包括 柵極金屬化結(jié)構(gòu)27，其通過例如由氮化硅制成的絕緣層M與半導(dǎo)體材料22物理接觸。這 里，所述絕緣層對(duì)用來阻止柵極漏電流以及阻止可能發(fā)生的電遷移。以這種方式可確保電 氣運(yùn)行，并且能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的信號(hào)分析。如果以適當(dāng)方式將柵極金屬化結(jié)構(gòu)27設(shè)計(jì)為，使其對(duì)待測(cè)氣體成分敏感，那么施 加在源極電極觸點(diǎn)26和柵極金屬化結(jié)構(gòu)27之間的電壓Ugs在其高低上就會(huì)隨待確定氣體 成分的濃度而變化。此外按照本發(fā)明，通過在絕緣層M與柵極金屬化結(jié)構(gòu)27之間設(shè)置一個(gè)邊界層25， 就能提高由半導(dǎo)體襯底22、絕緣層M與柵極金屬化結(jié)構(gòu)27所形成的柵極電極的敏感度。 按照一種可替換的實(shí)施方式，也可以放棄使用單獨(dú)的絕緣層對(duì)。在這種情況下，邊界層25 在其一側(cè)上緊鄰半導(dǎo)體襯底22的材料，在相對(duì)的一側(cè)上則緊鄰柵極金屬化結(jié)構(gòu)27。按照本發(fā)明，通過尤其在柵極區(qū)域內(nèi)以適當(dāng)方式使用金屬醇鹽、金屬氨化物、金屬 鹵化物和/或金屬烷基對(duì)絕緣層M或半導(dǎo)體襯底22進(jìn)行處理，來產(chǎn)生邊界層25。在使用 上述金屬化合物對(duì)絕緣層M或半導(dǎo)體襯底22的表面進(jìn)行處理時(shí)，絕緣層M或半導(dǎo)體襯底 22材料表面附近的羥基就會(huì)與上述金屬化合物發(fā)生反應(yīng)。如果絕緣層M或半導(dǎo)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(shù) 量。此外，必要時(shí)可在較高溫度下使用反應(yīng)活性更強(qiáng)的金屬烷基或金屬氨化物替代所述的 醇鹽。附圖2中示出了用于產(chǎn)生邊界層25的層結(jié)構(gòu)所基于的方法。這里，示例性地給絕 緣層M設(shè)置有邊界層25的示例，但也可以用相同方式給場(chǎng)效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體襯底22設(shè) 置相應(yīng)的邊界層25。為了在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的絕緣層M主面上或者在其半導(dǎo)體襯底22上產(chǎn)生邊界層 25，可使用一種金屬醇鹽、金屬氨化物、金屬鹵化物和/或金屬烷基對(duì)其表面進(jìn)行處理。在此，所述金屬化合物與絕緣層M或半導(dǎo)體襯底22表面上的游離羥基進(jìn)行反應(yīng)。在附圖2 中，以第一反應(yīng)步驟30的形式針對(duì)鈦四(二烷基氨化物)的反應(yīng)示例性地闡述這種反應(yīng)的 過程。如果絕緣層M或半導(dǎo)體襯底22表面存在上的羥基數(shù)量不夠充分，則可以在利用 上述金屬化合物之一進(jìn)行處理之前，以高溫置于空氣中的形式進(jìn)行預(yù)處理，或者在水蒸氣 氛圍中進(jìn)行預(yù)處理。例如在另一個(gè)反應(yīng)步驟32中首先使得利用所述金屬化合物改性后的絕緣層M或 半導(dǎo)體襯底22的表面水解，然后進(jìn)行脫水反應(yīng)。結(jié)果產(chǎn)生含有羥基的金屬氧化物網(wǎng)絡(luò)。在 此，這種反應(yīng)模式原則上可以任意頻繁地執(zhí)行，其中可以通過重復(fù)反應(yīng)步驟30、32來有目 的地調(diào)節(jié)所產(chǎn)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(二甲基甲硅烷基氨化物)、 鈦四(二甲基甲硅烷基氨化物)或者鉍二(三甲基甲硅烷基氨化物)(Bismutbisarimeth ylsilylamide))0最后，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(shí)施例執(zhí)行附圖2所示的方法。將由氮化硅構(gòu)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，然后用己烷沖洗。接著在大約400°C溫度下將場(chǎng)效應(yīng)晶體管置于空氣 中加熱一小時(shí)。將這一總過程重復(fù)執(zhí)行共三次。結(jié)果則產(chǎn)生邊界層25，該邊界層25通過關(guān) 于絕緣層M的基底材料的雜質(zhì)元素氧化物的橫向規(guī)則的單分子或低分子層而形成。最終 將貴金屬金屬化結(jié)構(gòu)作為柵極金屬化結(jié)構(gòu)27施加到所產(chǎn)生的邊界層25上。因?yàn)樵谑褂媒饘侔被锏那闆r下通常在后續(xù)水解過程中無法首先從為了構(gòu)成邊 界層25而被處理的表面上完全去除形成的所有胺類，所以隨后例如可以用比例為100 1 的乙醇和鹽酸混合液來處理場(chǎng)效應(yīng)晶體管。以這種方式產(chǎn)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(nèi)燃機(jī)、采暖設(shè)備和發(fā)電廠應(yīng)用的廢氣中的氣體成分。這種傳感元件尤其適合用來檢測(cè)燃 燒廢氣中的氮氧化物，例如可用于機(jī)動(dòng)車的車載診斷系統(tǒng)，或者用于監(jiān)測(cè)廢氣凈化系統(tǒng)例 如氮氧化物存儲(chǔ)式催化器或SCR系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種用于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(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述柵極電極包括柵極金屬化結(jié)構(gòu) (27)，該柵極金屬化結(jié)構(gòu)(XT)通過邊界層0 與絕緣層04)或者與場(chǎng)效應(yīng)晶體管的半導(dǎo) 體襯底0 接觸，其中通過利用金屬醇鹽、金屬氨化物、金屬鹵化物和/或金屬烷基對(duì)絕緣 層04)或者半導(dǎo)體襯底0 進(jìn)行表面改性來形成邊界層05)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感元件，其特征在于，所述絕緣層04)用氮化硅制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感元件，其特征在于，所述金屬氧化物是鈦醇鹽或者鍺 醇鹽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的傳感元件，其特征在于，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(二甲基甲硅烷基)氨化物)或者鉍(雙(三 甲基甲硅烷基)氨化物)。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的傳感元件，其特征在于，所述金屬烷基是四烷基 鍺化合物。
6.一種用于制造用于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 是用于制造權(quán)利要求1 5中任一項(xiàng)所述傳感元件的方法，其中將邊界層集成在場(chǎng)效應(yīng)晶 體管的柵極電極之中，其特征在于，為了形成邊界層(25)，用金屬氧化物、金屬氨化物、金屬 鹵化物和/或金屬烷基對(duì)半導(dǎo)體襯底0 或絕緣層04)的表面進(jìn)行處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在用金屬氧化物、金屬氨化物、金屬鹵化 物和/或金屬烷基進(jìn)行處理之后，在第二步驟中進(jìn)行水解，然后對(duì)所施加的金屬氧化物、金 屬氨化物、金屬鹵化物和/或金屬烷基進(jìn)行脫水。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，在第三步驟中用無機(jī)酸和醇的混合物 進(jìn)行處理。
9.使用權(quán)利要求1 5中任一項(xiàng)所述的傳感元件來確定內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電設(shè)備或者采暖設(shè) 備的廢氣中的氣體成分。
10.使用權(quán)利要求1 5中任一項(xiàng)所述的傳感元件監(jiān)測(cè)NOx存儲(chǔ)式催化器或者SCR廢 氣后處理系統(tǒng)的性能。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于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(chǎng)效應(yīng)晶體管。柵極電極包括一個(gè)通過邊界層(25)與絕緣層(24)或者與場(chǎng)效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體襯底(22)接觸的柵極金屬化結(jié)構(gòu)(27)，其中使用金屬醇鹽、金屬氨化物、金屬鹵化物和/或金屬烷基對(duì)絕緣層(24)或者半導(dǎo)體襯底(22)進(jìn)行表面改性的方式形成邊界層(25)。本發(fā)明還涉及一種制造上述傳感元件的方法。
文檔編號(hào)G01N27/414GK102099673SQ200980103270
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2009年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月28日
發(fā)明者D·埃爾貝, M·維登邁耶 申請(qǐng)人:羅伯特.博世有限公司