专利名称：一种气体传感器的传感元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据独立权利要求前序部分所述的用于确定混合气体尤其是内燃机 废气中气体成分的气体传感器的传感元件、制造所述传感元件的方法以及其应用。
背景技术：
主要将场效应晶体管用于确定混合气体中的气体成分。在此，例如场效应晶体管 的栅极或栅极电极对待确定气体成分能够作出敏感反应，从而使得施加在栅极电极上的控 制电压发生变化。可检测场效应晶体管源极和漏极电极之间出现的电流的变化，并且将其 对应于待确定气体成分的浓度。例如由DE 102005010454A1可知一种这样的气体传感器。在此，栅极电极具有一 种酸性或碱性余层，该酸性或碱性涂层能提高气体传感器对火灾相关气体的敏感度。缺点 是只能检测PH活性气体。不可能在对碳氢化合物没有多大交叉敏感性的情况下确定废气 成分。这种实施为场效应晶体管的传感元件的选择性或敏感性是多种因素的复杂产物， 例如栅极电极的单一成分的组合物。属于其的例如有被实施为贵金属镀层的栅极金属化 结构或者被设置在栅极金属化结构与半导体衬底之间的绝缘层。

发明内容
本发明的任务在于，提供一种用于确定混合气体中气体成分的传感元件，包括场 效应晶体管，该场效应晶体管由于在栅极电极区域中的适当的边界层而对待确定的气体成 分特别敏感。具有独立权利要求特征部分的特征的传感元件或者利用所请求的方法制造的 传感元件以有利的方式解决了本发明的任务。集成于传感元件之中的场效应晶体管包 括具有栅极金属化结构的栅极电极，栅极金属化结构通过边界层与绝缘层或者场效应晶 体管的半导体衬底接触，其中以化学方法通过对绝缘层或者半导体衬底进行表面改性来 产生所述的边界层。为此，尤其适合对金属醇盐、金属氨化物、金属卤化物或者金属烷基 (Metallalkylen)进行处理。本发明的其它有益实施方式由从属权利要求得到。适宜由氮化硅制成绝缘层。这种材料始终在有限程度上具有可用于化学改性的游 离Si-OH-基团。它们在改性过程中与所使用的金属醇盐、金属氨化物、金属卤化物或金属 烷基进行反应。此外，还适宜用涂覆钛或锗醇盐的方式进行表面改性。所述醇盐易于水解，并且在 后续热处理中形成稳定并且化学惰性的复合层。同样也可使用钛或者铋的二烷基氨化物 (Dialkylamiden)或二甲基甲硅烷基氨化物(Dimethylsilylamiden)。即使在使用四烷基 锗化合物的情况下，也能以可简单地进行的表面改性方式来产生边界层。除此之外，有利的是在使用金属氨化物来产生边界层的情况下，在所施加的金属氨化物水解并且脱水之后，使用一种无机酸在一种醇中的混合物进行处理。以这种方式能 够顺利溶出还在表面涂层中所含的胺。所述传感元件以有利的方式被用来确定内燃机、发电设备或者采暖设备的废气中 的气体成分。其还以有利的方式适合用来检查NOX-储存式催化转换器或者SCR-废气后处 理系统的性能。


在附图中示出、并且在下列的描述中详细解释本发明的实施例。附图示出附图1本发明第一实施方式所述传感元件的示意性剖面图附图2在栅极材料的化学改性中规定的工艺步骤的示意性顺序图。
具体实施例方式附图1所示为按照本发明第一种实施例的传感元件。传感元件10优选实施为场 效应晶体管(FET)或者化学敏感场效应晶体管(CHEMFET)。场效应晶体管形式的传感元件 10包括例如由氮化镓、氮化铝、氮化镓铝或者碳化硅制成的半导体衬底22。相应地适合地 掺杂或含有这些材料，例如在氮化镓的情况下可掺杂或含有几纳米厚度的氮化镓铝层。半 导体衬底22设置有源极电极的触点沈和漏极电极的触点23。此外，传感元件10还包括 栅极金属化结构27，其通过例如由氮化硅制成的绝缘层M与半导体材料22物理接触。这 里，所述绝缘层对用来阻止栅极漏电流以及阻止可能发生的电迁移。以这种方式可确保电 气运行，并且能够实现简单的信号分析。如果以适当方式将栅极金属化结构27设计为，使其对待测气体成分敏感，那么施 加在源极电极触点26和栅极金属化结构27之间的电压Ugs在其高低上就会随待确定气体 成分的浓度而变化。此外按照本发明，通过在绝缘层M与栅极金属化结构27之间设置一个边界层25， 就能提高由半导体衬底22、绝缘层M与栅极金属化结构27所形成的栅极电极的敏感度。 按照一种可替换的实施方式，也可以放弃使用单独的绝缘层对。在这种情况下，边界层25 在其一侧上紧邻半导体衬底22的材料，在相对的一侧上则紧邻栅极金属化结构27。按照本发明，通过尤其在栅极区域内以适当方式使用金属醇盐、金属氨化物、金属 卤化物和/或金属烷基对绝缘层M或半导体衬底22进行处理，来产生边界层25。在使用 上述金属化合物对绝缘层M或半导体衬底22的表面进行处理时，绝缘层M或半导体衬底 22材料表面附近的羟基就会与上述金属化合物发生反应。如果绝缘层M或半导体衬底22 的表面具有的表面附近的羟基密度过小，则可以通过氧化法或热液法有的放矢地提高其数 量。此外，必要时可在较高温度下使用反应活性更强的金属烷基或金属氨化物替代所述的 醇盐。附图2中示出了用于产生边界层25的层结构所基于的方法。这里，示例性地给绝 缘层M设置有边界层25的示例，但也可以用相同方式给场效应晶体管的半导体衬底22设 置相应的边界层25。为了在场效应晶体管的绝缘层M主面上或者在其半导体衬底22上产生边界层 25，可使用一种金属醇盐、金属氨化物、金属卤化物和/或金属烷基对其表面进行处理。在此，所述金属化合物与绝缘层M或半导体衬底22表面上的游离羟基进行反应。在附图2 中，以第一反应步骤30的形式针对钛四(二烷基氨化物)的反应示例性地阐述这种反应的 过程。如果绝缘层M或半导体衬底22表面存在上的羟基数量不够充分，则可以在利用 上述金属化合物之一进行处理之前，以高温置于空气中的形式进行预处理，或者在水蒸气 氛围中进行预处理。例如在另一个反应步骤32中首先使得利用所述金属化合物改性后的绝缘层M或 半导体衬底22的表面水解，然后进行脱水反应。结果产生含有羟基的金属氧化物网络。在 此，这种反应模式原则上可以任意频繁地执行，其中可以通过重复反应步骤30、32来有目 的地调节所产生的边界层25的层厚度。尤其适宜作为金属化合物的例如有钛醇盐形式的金属醇盐，所述钛醇盐如二氯 二异丙醇钛、或者四异丙醇钛；以及锗醇盐如四乙氧基锗(Tetraethoxigermanium)。此外， 可作为金属化合物的还有金属氨化物例如钛双二烷基氨化物或者钛四二烷基氨化物例如 钛四(二乙基氨化物)或者钛四(二甲基氨化物)，以及钛二(二甲基甲硅烷基氨化物)、 钛四(二甲基甲硅烷基氨化物)或者铋二(三甲基甲硅烷基氨化物)(Bismutbisarimeth ylsilylamide))0最后，适合作为金属化合物的还有金属烷基例如四烷基锗化合物。例如可以按照以下实施例执行附图2所示的方法。将由氮化硅构成的绝缘层M的表面浸入每升一毫摩尔浓度的钛四(二甲基氨化 物)的己烷溶液之中，然后用己烷冲洗。接着在大约400°C温度下将场效应晶体管置于空气 中加热一小时。将这一总过程重复执行共三次。结果则产生边界层25，该边界层25通过关 于绝缘层M的基底材料的杂质元素氧化物的横向规则的单分子或低分子层而形成。最终 将贵金属金属化结构作为栅极金属化结构27施加到所产生的边界层25上。因为在使用金属氨化物的情况下通常在后续水解过程中无法首先从为了构成边 界层25而被处理的表面上完全去除形成的所有胺类，所以随后例如可以用比例为100 1 的乙醇和盐酸混合液来处理场效应晶体管。以这种方式产生的传感元件10特别适合用来确定混合气体中的气体成分，例如 内燃机、采暖设备和发电厂应用的废气中的气体成分。这种传感元件尤其适合用来检测燃 烧废气中的氮氧化物，例如可用于机动车的车载诊断系统，或者用于监测废气净化系统例 如氮氧化物存储式催化器或SCR系统。
权利要求
1.一种用于确定混合气体中气体成分的气体传感器的传感元件，包括具有源极电极、 漏极电极以及栅极电极的场效应晶体管，其特征在于，所述栅极电极包括栅极金属化结构 (27)，该栅极金属化结构(XT)通过边界层0 与绝缘层04)或者与场效应晶体管的半导 体衬底0 接触，其中通过利用金属醇盐、金属氨化物、金属卤化物和/或金属烷基对绝缘 层04)或者半导体衬底0 进行表面改性来形成边界层05)。
2.根据权利要求1所述的传感元件，其特征在于，所述绝缘层04)用氮化硅制成。
3.根据权利要求1或2所述的传感元件，其特征在于，所述金属氧化物是钛醇盐或者锗 醇盐。
4.根据权利要求1 3中任一项所述的传感元件，其特征在于，所述金属氨化物是钛 (二烷基氨化物)、钛四二烷基氨化物、钛(双(二甲基甲硅烷基)氨化物)或者铋(双(三 甲基甲硅烷基)氨化物)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的传感元件，其特征在于，所述金属烷基是四烷基 锗化合物。
6.一种用于制造用于确定混合气体中气体成分的气体传感器的传感元件的方法，尤其 是用于制造权利要求1 5中任一项所述传感元件的方法，其中将边界层集成在场效应晶 体管的栅极电极之中，其特征在于，为了形成边界层(25)，用金属氧化物、金属氨化物、金属 卤化物和/或金属烷基对半导体衬底0 或绝缘层04)的表面进行处理。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在用金属氧化物、金属氨化物、金属卤化 物和/或金属烷基进行处理之后，在第二步骤中进行水解，然后对所施加的金属氧化物、金 属氨化物、金属卤化物和/或金属烷基进行脱水。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在第三步骤中用无机酸和醇的混合物 进行处理。
9.使用权利要求1 5中任一项所述的传感元件来确定内燃机、发电设备或者采暖设 备的废气中的气体成分。
10.使用权利要求1 5中任一项所述的传感元件监测NOx存储式催化器或者SCR废 气后处理系统的性能。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定混合气体中气体成分的气体传感器的传感元件，其包括具有源极电极、漏极电极以及栅极电极的场效应晶体管。栅极电极包括一个通过边界层(25)与绝缘层(24)或者与场效应晶体管的半导体衬底(22)接触的栅极金属化结构(27)，其中使用金属醇盐、金属氨化物、金属卤化物和/或金属烷基对绝缘层(24)或者半导体衬底(22)进行表面改性的方式形成边界层(25)。本发明还涉及一种制造上述传感元件的方法。
文档编号G01N27/414GK102099673SQ200980103270
公开日2011年6月15日 申请日期2009年1月7日 优先权日2008年1月28日
发明者D·埃尔贝, M·维登迈耶 申请人:罗伯特.博世有限公司