用于高温应用的基于碳化硅的场效应气体传感器

摘要

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。

权利要求

1.一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，

所述阻挡层由从IrO2、RuO2、RhO2和ReO3组成的金属氧化物群组中选出的导电的金属氧化物形成。

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。

5.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触层的阻挡层，

所述阻挡层由导电的中间-过渡-金属氧化物来形成；

SiC半导体结构的所述第三部分是掺杂的；并且SiC半导体结构的所述第一部分设置在所述第二部分与所述第三部分之间以形成场效应晶体管结构。

6.根据权利要求4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触层的阻挡层，

所述阻挡层由导电的中间-过渡-金属氧化物来形成；

SiC半导体结构的所述第三部分是掺杂的；并且SiC半导体结构的所述第一部分设置在所述第二部分与所述第三部分之间以形成场效应晶体管结构。

7.根据前述权利要求任意一项所述的场效应气体传感器，其中，所述欧姆接触层包括金属。

8.根据权利要求7所述的场效应气体传感器，其中，所述金属从由以下构成的群组中选出：镍，铬，钛，铝，钽，钨和钼。

9.根据权利要求6所述的场效应气体传感器，其中，所述第二接触结构的阻挡层和所述第三接触结构的阻挡层每个被绝缘钝化层至少部分覆盖。

10.根据权利要求9所述的场效应气体传感器，其中，所述电子绝缘层和所述第一接触结构的至少之一的至少一部分不被所述绝缘钝化层所覆盖，以允许由所述气体混合物直接接触所述部分。

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的制造方法，所述方法包括如下步骤：提供SiC半导体结构；

在所述SiC半导体结构的第一部分上形成电子绝缘层；

在所述电子绝缘层上沉积第一接触层；

在所述SiC半导体结构的第二部分上沉积欧姆接触层；以及在所述欧姆接触层上沉积由从IrO2、RuO2、RhO2和ReO3组成的金属氧化物群组中选出的导电的金属氧化物形成的阻挡层以覆盖所述欧姆接触层。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述阻挡层是利用从溅射和脉冲激光沉积组成的群组中选择的沉积方法来沉积。

说明书

用于高温应用的基于碳化硅的场效应气体传感器

技术领域

[0001] 本发明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。

背景技术

[0002] 宽带隙(wide band gap)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”。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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：Savage S.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。

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 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。

[0010] 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SiC的场效应气体传感器及其它用于高温应用的装置的可靠性，但是仍然具有用于大约500℃及以上工作温度的导电(欧姆)接触和保护性/钝化层的结构完整性和/或氧化的问题，迄今防止了它们在若干上述应用中的使用。

发明内容

[0011] 考虑到现有技术的上述及其它缺陷，本发明的一个目的在于提供一种改进的基于SiC的场效应气体传感器，特别是能够在高温和恶劣环境应用下长期可靠运行的基于SiC的场效应气体传感器。

[0012] 根据本发明的第一方面，因此提供了一种用于检测气体混合物中一种或多种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；通过电子绝缘层与SiC半导体结构至少部分分离的第一接触结构；以及导电地连接于SiC半导体结构的不同于第一部分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；以及覆盖欧姆接触层的阻挡层，该阻挡层由从氧化铱和氧化铼组成的群组中选择的导电金属氧化物形成。

[0013] 场效应气体传感器指的是其中电场响应于周围环境中一种或若干特定分子而变化的任何类型的场效应电子装置。

[0014] SiC(碳化硅)半导体结构可被掺杂，并且该掺杂可不同于SiC半导体结构的不同部分。此外，SiC半导体结构可包括一个或多个外延层，即沉积/生长在SiC半导体基底顶部或表面上的层。外延层也可被掺杂，并且该掺杂可不同于外延层的不同部分。

[0015] 本申请上下文中的“欧姆接触层”应当被理解为能够形成与SiC半导体结构“欧姆接触”的材料层。术语“欧姆接触”指的是与外加电压无关的具有极低电阻的金属-半导体接触，即，在金属材料-半导体界面处无电势障壁(potential barrier)或极小电势障壁的接触。

[0016] “电子绝缘层”在本申请的上下文中应当被理解为不导电的材料层即绝缘体。这种绝缘层是半导体工艺所属技术领域的技术人员已知的。

[0017] 根据本发明的各种实施例，场效应气体传感器可体现为MIS/MOS(金属绝缘体半导体/金属氧化物半导体)电容器、肖特基二极管或场效应晶体管。

[0018] 这些类型的场效应构件具有已经研究得很好的电流-电压或电容-电压特征曲线并且因而可作为本发明气体传感器的适宜构件。

[0019] 上述提及的场效应晶体管可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、金属绝缘体半导体场效应晶体管(MISFET)、金属-半导体场效应晶体管(MESFET)、异晶结构场效应晶体管(HFET)或金属绝缘体半导体异晶结构场效应晶体管(MISHFET)。

[0020] 某些上述场效应气体传感器构造以及被构造为与气体混合物中的不同气态物质互相作用的不同层在以下文献中有描述：科学和技术的林雪平研究( Studies in Science and Technology)，Helena Wingbrant所著，论文No：931“用于汽车排气监控的MISiC-FET传感器(Studies of MISiC-FET sensors for  car exhaust gas monitoring)”，此处全部并入作为参考。

[0021] 本发明基于如下发现：能够在高达例如450℃的温度情况下保护基于SiC的场效应气体传感器中的接触结构的欧姆层的常规金属阻挡层不能防止欧姆层在更高温度例如600温度或更高温度情况下的氧化。

[0022] 本发明人已经发现，属于包括(但不限于)例如氧化铱(IrO2)和氧化铑(RhO2)的中间-过渡-金属-氧化物的导电金属氧化物层能够防止底层的欧姆层长时间在显著更高的温度情况下氧化。

[0023] 通过中间-过渡-金属氧化物形成的阻挡层显示了有关导电率的低电阻和近似金属特性。

[0024] 在中间-过渡-金属氧化物中，氧化铱和氧化铑显示特别有利的特性，包括在高达大约750℃温度情况下的结构完整性和抗氧扩散性。

[0025] 此外，对于IrO2和RhO2二者来说，重建的氧化物表面显示了良好的稳定性并且不与已知的欧姆层例如NiSix、Ti3SiC2、TixAlyC等等起反应，保留完整的欧姆层和保留的欧姆特性。

[0026] 这些阻挡层材料(中间-过渡-金属氧化物)的另一个一般的优点是它们与之前使用的由某些纯金属(Pt，Au，Al…)制成的阻挡层相比与其它钝化材料(例如SiO2和Si3N4)的热膨胀失配(mismatch)小得多。氮化硅和氧化物的CTE(热膨胀系数)在3-4ppm/K的范围内并且对于IrO2来说约为5-6ppm/K，而上述所列金属的CTE在10-22ppm/K的范围内。例如利用IrO2作为第二层、第三和第四层等等，已经证明钝化层结构上不受高达750℃的温度循环的影响，这是有利的，因为通常需要这些钝化层来保护芯片的其它部分上的装置表面。

[0027] 上述列出的导电金属氧化物之一(或更多)应用为欧姆接触层顶部上且完全覆盖欧姆接触层的保护层，根据本发明实施例基于SiC的场效应气体传感器能够以良好的长期稳定性使用的温度范围可扩展至也涉及远高于600℃的温度而无欧姆接触层或氧化物/氮化物钝化法层的劣变(氧化、重组、分层等等)。

[0028] 能够将场效应气体传感器能够可靠操作的工作温度范围扩展为也包括600℃，这就开启了提出例如在线监控、诊断和废气排放后处理系统的控制的可能性。如前所述，对于若干期望监控的参数，一个示例是SCR催化剂下游的氨水浓度，那时不存在可行的市场上可买到的传感器选择。还疑惑当今存在的监控某些其它参数例如汽车尾气的氮氧化物浓度的传感器技术是否能够满足当近期的排放物立法更为收紧时的精度要求。因为基于SiC的场效应气体传感器能够动态监控氨水的真正低浓度同时其它气态物质的干涉微不足道，通常展示好得多的精确度和信噪比，基于SiC FE的传感器技术可很好地提供对于上述问题的解决方案，通过本发明的实施例改进了高温耐用性/可靠性。

[0029] 根据本发明各种实施例的场效应气体传感器，提供了场效应晶体管形式的场效应气体传感器。在这些实施例中，SiC半导体结构的第二部分可被(n+或p+)掺杂，并且场效应气体传感器可进一步包括导电地连接于SiC半导体结构的不同于第一部分和所述第三(n+或p+)掺杂部分的第三接触结构。如第二接触结构一样，第三接触结构可包括与SiC半导体结构的第三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。在这些实施例中，SiC半导体结构的第一部分设置在第二部分与第三部分之间，因此第一接触结构形成门，并且第二和第三接触结构分别形成场效应晶体管的源和漏极。在这些实施例中，场效应气体传感器可进一步包括导电地连接于SiC半导体结构的不同于第一至第三部分的第四(n+或p+)掺杂部分的第四接触结构。正如第二和第三接触结构，第四接触结构可包括与SiC半导体结构的第四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。在这些实施例中，SiC半导体结构的第四部分被设置为使得第四接触结构形成场效应晶体管的基(主体)端。

[0030] 如上述进一步提及的，电子绝缘层和第一接触结构的至少之一暴露于气体混合物，并且被构造为与待检测的气态物质互相作用，因此半导体电场的门将取决于气体混合物中气态物质的存在。电场的气体感应调制将影响场效应晶体管的I-V特征曲线，使得(至少)通过监控场效应晶体管的电性能例如电压或电流来监控气体混合物中气态物质的存在。例如，漏极-源电压可保持恒定并且监控漏极-源电流。

[0031] 根据本发明的第二方面，提供了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的制造方法，所述方法包括如下步骤：提供SiC半导体结构；在SiC半导体结构的第一部分上生长/沉积至少一个电子绝缘层；在电子绝缘层上沉积第一接触层；在SiC半导体结构的第二部分上沉积欧姆接触层；并且在欧姆接触层上沉积由至少一个导电中间-过渡-金属氧化物形成的阻挡层以覆盖欧姆接触层。

[0032] 由本发明的该第二方面的实施例和获得的效果基本上类似于如上所述本发明的第一方面。

[0033] 总之，本发明涉及用于检测气体混合物中至少一种气态物质存在的一种场效应气体传感器，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；通过电子绝缘层与SiC半导体结构至少部分分离的第一接触结构；以及导电地连接于SiC半导体结构的至少一个第二部分的至少一个第二接触结构，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互相作用从而改变SiC半导体结构的电性能；并且其中，所述至少一个第二接触结构包括：与SiC半导体结构的至少一个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的中间-过渡-金属氧化物形成的至少一个阻挡层。

附图说明

[0034] 现在参照示出本发明示例实施例的附图更详细地描述本发明的这些及其它方面，其中：

[0035] 图1示出根据本发明实施例的MOSFET/MISFET类型的场效应气体传感器；

[0036] 图2示出根据本发明实施例的MOS电容器类型的场效应气体传感器；

[0037] 图3示出根据本发明实施例的肖特基二极管类型的场效应气体传感器；

[0038] 图4示出用于电连接和加热根据本发明实施例的场效应气体传感器的适宜工具的示例；图4A示出正视图，图4B示出后视图并且图4c示出侧视图，其中本发明的场效应气体传感器安装于用于电连接和加热的适宜工具；

[0039] 图5示出根据本发明实施例的包封场效应气体传感器的示例；

[0040] 图6示出用于利用根据本发明实施例的场效应气体传感器检测气流中气态物质的构造的示例；

[0041] 图7a-b示出带有欧姆接触层上常规阻挡层的示例碳化硅(SiC)基的场效应晶体管气体传感器的温度稳定性；并且

[0042] 图8示出根据本发明示例实施例带有由IrO2制成的阻挡层的碳化硅基的场效应晶体管气体传感器的温度稳定性。

具体实施方式

[0043] 图1展示了根据本发明实施例的MOSFET/MISFET类型1的场效应气体传感器的示例。MOSFET/MISFET类型1的场效应气体传感器包括例如n-型的掺杂碳化硅半导体层2。在半15 3
导体层2上，p-型(掺杂浓度5-10 /cm)的外延层3(也为SiC)生长为大约10μm的厚度。在外延层中，例如通过离子注入法产生3个掺杂区域，从而形成n-型的漏极区域4、n-型的源区域
5和p-型的基底区域6(掺杂浓度约为1020/cm3)。在外延层3顶部上产生电子绝缘层7，其例如由热生长为大约 厚度的二氧化硅层和大约厚度 的硅氮化物(Si3N4)的LPCVD沉积层组成，沉积层被密实化以在氮化物顶部上产生典型地为 的二氧化硅薄层。

[0044] 随后分别形成了与外延层3的源5、漏极4和基底区域6接触的三个接触结构8a-c。可通过在n-型漏极区域4、n-型源区域5和基底区域6上首先蚀刻电子绝缘层7(例如利用标准照相平版印刷图案和湿蚀刻技术或干蚀刻技术例如活性离子蚀刻)来加工接触结构8a-c。在已经去除了电子绝缘层的注入区域上，通过以下加工形成接触结构8a-c：

[0045] 首先，例如通过沉积大约 厚度的镍(Ni)随后在氩气中950℃快速热退火再沉积大约 的钛(Ti)来形成欧姆接触层9。

[0046] 此后，沉积阻挡层10以完全覆盖欧姆接触层9以防止欧姆接触层9在较高工作温度(例如高于500℃)下氧化。该阻挡层10可被构造为也覆盖电子绝缘层7的一部分。可用于阻挡层10的保护性氧扩散阻挡材料是从IrO2、RuO2、RhO2和ReO3组成的金属氧化物群组中选出的，优选从IrO2和RhO2之一中选出，并且也可被设置为所述材料的层压组合物、复合物或任何其它种类的混合物。氧扩散阻挡层的至少一部分也可包括由金属例如Pt或Au组成的层。可通过若干不同的方法在优选的薄膜布局和结构中加工/制造氧扩散阻挡材料，所述方法包括基于CVD(化学汽相淀积)的方法如普通CVD、MBE(分子束外延)和ALD(原子层沉积)以及基于PVD(物理汽相沉积)的方法如热/电子束蒸发、RF/DC磁控溅射和脉冲激光沉积(PLD)。
在通过利用金属或金属氧化物靶材且存在添加于真空沉积腔室的一定氧分压时进行加工的两种情形下，当前优选的方法是RF/DC磁控溅射和脉冲激光沉积。

[0047] 在阻挡层10顶部上除了意图通过各种粘合技术电接触接触结构8a-c之外的地方外，可利用本领域普通技术人员已知的方法施加常规钝化层11。

[0048] 电子绝缘层7的至少一部分上形成电触点12，其可为当场效应气体传感器是MOSFET/MISFET类型时的门触点，包括至少一种材料的薄膜，包括(但不限于)金属例如Au、Pt、Ir和Rh，二元金属氧化物例如FeOx、IrOx和RuOx，二元硫化物和硒化物例如MoS2、MoSe2和WS2，三元化合物例如SrTiO3、BaCoO3和LaMnO3，以及通式为ABO3特别是钙钛矿类型的任何材料，以及这些材料的任何组合或混合物，其中至少一种材料是导电的。至少一部分电触点12可通过在氧气环境下的氧化物材料情况下溅射或蒸发而被沉积为高达 的厚度。在电门触点12顶部上，可沉积例如 的催化或者其它助剂材料的不连续层。电门触点12的一部分可与包括厚度分别约为25和 的Ti/Pt双层薄膜的接触层13相接触。电门触点12上感兴趣的一个或多个气态物质的吸附直接地或通过与吸附氧气阴离子的反应导致半导体电场门的变化从而导致源5与漏极4区域之间通道内的导电性变化。当保持穿过气体传感器的恒电流时MOSFET/MISFET类型的场效应气体传感器上的电压因此反映了待检测的气态物质的存在和/或环境浓度。

[0049] 图2显示根据本发明实施例的MOS电容器类型20的场效应气体传感器的示例。MOS电容器类型20的场效应气体传感器具有作为n-型半绝缘材料的SiC半导体层2，n-型的大约5μm厚度的外延层3在其上生长。在外延层3顶部上产生电子绝缘层7。电子绝缘层7包括三个绝缘体7a、7b和7c堆叠，其包括热生长的氧化物(SiO2)7a以及LPCVD沉积和密实化的硅氮化物(Si3N4)7b，硅氮化物7b又在氮化物顶部上形成二氧化硅薄膜7c，得到 的电子绝缘层7的大约总厚度。

[0050] 此外，通过以下步骤在半导体层上形成背侧接触结构14：

[0051] 首先，例如通过沉积大约 厚度的镍(Ni)随后在氩气中950℃快速热退火再沉积大约 的硅化钽(TaSi2)和 的铂(Pt)或可选地 的钛(Ti)和的铂(Pt)来形成欧姆接触层9。

[0052] 此后，沉积阻挡层10以完全覆盖欧姆接触层9和一部分第一钝化层15以防止欧姆接触层9在较高工作温度(例如高于500℃)下氧化。该阻挡层10可被构造为也覆盖电子绝缘层7的一部分。可用于阻挡层10的保护性氧扩散阻挡材料是从IrO2、RuO2、RhO2和ReO3组成的金属氧化物群组中选出的，优选从IrO2和RhO2之一中选出，并且也可被设置为所述材料的层压组合物、复合物或任何其它种类的混合物。氧扩散阻挡层的至少一部分也可包括由金属例如Pt或Au组成的层。可通过若干不同的方法在优选的薄膜布局和结构中加工/制造氧扩散阻挡材料，所述方法包括基于CVD(化学汽相淀积)的方法如普通CVD、MBE(分子束外延)和ALD(原子层沉积)以及基于PVD(物理汽相沉积)的方法如热/电子束蒸发、RF/DC磁控溅射和脉冲激光沉积(PLD)。在通过利用金属或金属氧化物靶材且存在添加于真空沉积腔室的一定氧分压时进行加工的两种情形下，当前优选的方法是RF/DC磁控溅射和脉冲激光沉积。

[0053] 在阻挡层10顶部上除了意图通过不同粘合技术电接触背侧接触结构14之外的地方，利用本领域普通技术人员已知的方法施加包括一个或多个材料/层的常规第二钝化结构11。

[0054] 电子绝缘层7的至少一部分上形成电触点12，其可为当场效应气体传感器是MOSFET/MISFET类型时的门触点，包括至少一种材料的薄膜，包括(但不限于)金属例如Au、Pt、Ir和Rh，二元金属氧化物例如FeOx、IrOx和RuOx，二元硫化物和硒化物例如MoS2、MoSe2和WS2，三元化合物例如SrTiO3、BaCoO3和LaMnO3，以及通式为ABO3特别是钙钛矿类型的任何材料，以及这些材料的任何组合或混合物，其中至少一种材料是导电的。至少一部分电触点12可通过在氧气环境下的氧化物材料情况下溅射被沉积或蒸发为高达 的厚度。在电门触点12顶部上，可沉积例如 的催化或者其它助剂材料的不连续层。电门触点12的一部分可与包括厚度分别约为25和 的Ti/Pt双层薄膜的接触层13相接触。电门触点12上感兴趣的一个或多个气态物质的吸附直接地或通过与吸附氧气阴离子的化学反应导致材料性质的变化和/或半导体电场门的变化，从而MOS电容器类型的场效应气体传感器的电容-电压特征曲线变化。当保持传感器上的电容恒定时，场效应气体传感器上的偏置电压反映了感兴趣的一个或多个气态物质的存在和/或环境浓度。

[0055] 图3展示了根据本发明实施例的肖特基二极管类型30的场效应气体传感器的示例。肖特基二极管类型30的场效应气体传感器包括例如n-型掺杂碳化硅半导体层2。半导体层2上，n-型(例如掺杂浓度3×1016/cm3)的外延层3生长为大约10μm的厚度。在外延层3的顶部上形成由热生长的氧化物(SiO2)层组成的电子绝缘层7，总厚度约为

[0056] 此外，通过以下步骤在半导体层上形成背侧接触结构14：

[0057] 首先，例如通过沉积大约 厚度的镍(Ni)随后在氩气中950℃快速热退火再沉积大约 的硅化钽(TaSi2)和 的铂(Pt)或可选地 的钛(Ti)和的铂(Pt)来形成欧姆接触层9。

[0058] 此后，沉积阻挡层10以完全覆盖欧姆接触层9和一部分第一钝化层15以防止欧姆接触层9在较高工作温度(例如高于500℃)下氧化。该阻挡层10可被构造为也覆盖电子绝缘层7的一部分。用于阻挡层10的保护性氧扩散阻挡材料是从IrO2、RuO2、RhO2和ReO3组成的金属氧化物群组中选出的，优选从IrO2和RhO2之一中选出，并且也可被设置为所述材料的层压组合物、复合物或任何其它种类的混合物。氧扩散阻挡层的至少一部分也可包括由金属例如Pt或Au组成的层。可通过若干不同的方法在优选的薄膜布局和结构中加工/制造氧扩散阻挡材料，所述方法包括基于CVD(化学汽相淀积)的方法如普通CVD、MBE(分子束外延)和ALD(原子层沉积)以及基于PVD(物理汽相沉积)的方法如热/电子束蒸发、RF/DC磁控溅射和脉冲激光沉积(PLD)。在通过利用金属或金属氧化物靶材且存在添加于真空沉积腔室的一定氧分压时进行加工的两种情形下，当前优选的方法是RF/DC磁控溅射和脉冲激光沉积。

[0059] 在阻挡层10顶部上除了意图通过不同粘合技术电接触背侧接触结构14之外的地方，利用本领域普通技术人员已知的方法施加常规第二钝化层11。

[0060] 电子绝缘层7可通过常规照相平版印刷方法形成图案和以50％HF被湿蚀刻。

[0061] 电子绝缘层7的至少一部分上形成电触点12，其可为当场效应气体传感器是MOSFET/MISFET类型时的门触点，包括至少一种材料的薄膜，包括(但不限于)金属例如Au、Pt、Ir和Rh，二元金属氧化物例如FeOx、IrOx和RuOx，二元硫化物和硒化物例如MoS2、MoSe2和WS2，三元化合物例如SrTiO3、BaCoO3和LaMnO3，以及通式为ABO3特别是钙钛矿类型的任何材料，以及这些材料的任何组合或混合物，其中至少一种材料是导电的。至少一部分电触点12可通过在氧气环境下的氧化物材料情况下溅射被沉积或蒸发为高达 的厚度。在电门触点12顶部上，可沉积例如 的催化或者其它助剂材料的不连续层。电门触点12的一部分可与包括厚度分别约为25和 的Ti/Pt双层薄膜的接触层13相接触。接触层13也可覆盖一部分电子绝缘层7。电触点12上感兴趣的气态物质的吸附直接地或通过与吸附氧气阴离子的反应导致肖特基阻挡层的变化从而导致肖特基二极管类型的场效应气体传感器的电流变化。当保持穿过气体传感器的恒流时场效应气体传感器上的偏置电压反映了感兴趣气态物质的存在和/或环境浓度。

[0062] 图4显示用于电连接和加热本发明的场效应气体传感器的适宜工具40的示例。氧化铝基片42(或其它适宜材料的基底)具有印刷在正面上的连接器线路46和触垫(contact pad)45以及背侧上的电阻式加热器线路44。场效应气体传感器41翻转颠倒并且例如金或铂的凸块43将场效应气体传感器41连接于印刷在氧化铝基底上的触垫45和连接器线路46。在氧化铝基底中刚好在场效应气体传感器41的电触点(晶体管装置内的门触点)的上方形成开口47以允许环境气体混合物到达场效应气体传感器41的电触点。电阻器结构44印刷在氧化铝基底42的背侧上以利于加热传感器装置。所有的连接器线路46被以如下方式打印，即，它们能容易地例如通过夹具接触在氧化铝基底的末端处被接触。

[0063] 图5显示本发明包括用于包封的工具50的场效应气体传感器的示例。半导体层2、外延层3和电子绝缘层7被适宜材料例如Si3N4或SiO2的包封层51所覆盖。但是电触点12与外界接触以利于检测气体混合物中至少一种感兴趣的物质。

[0064] 图6示出用于利用根据本发明实施例的场效应气体传感器60检测气体混合物中气态物质的构造示例。包括场效应气体传感器60的构造安装在感兴趣的气流中，例如尾喷管、烟气通道、烟道等等内。场效应气体传感器60放置在外管61内部距内管62的末端较短距离处。内管62比外管61的直径小并且配置在外管61内使得内管62与外管61之间具有间隙。此外，内管62在与场效应气体传感器60位置相反的末端处延伸至外管61外部。在内管62末端与场效应气体传感器60之间施加粗滤器65使得它跨越外管61的截面。外管61和内管62组装成使得感兴趣的气体混合物能够穿过外管开口64、与场效应气体传感器60相接触并且穿过内管63的开口离开。外管61也可被供以气密的热阻挡层66和用于电连接传感器装置67的工具以及将其旋转到位的螺纹。

[0065] 在下文中，将参照图7a-b和图8描述根据本发明实施例的基于SiC的场效应传感器在温度稳定性方面的改进。

[0066] 图7a-b示出当施加铂(图7a)和铱(图7b)时与相应的导电欧姆接触保护(罩盖)层相同种类的欧姆接触Ti3SiC2在600℃运行100小时之前和之后的电流-电压-特征曲线(I/V-特征曲线)。可看出，Pt保护层(还常用作装置中高达大约450℃运行的氧扩散阻挡层)不防止极其快速的氧扩散和将触点变为绝缘氧化物(至少在低压下防止任何电流通过)的欧姆接触层连续氧化。在600℃运行100小时后，可从不再为线状的I/V-特征曲线中看出，Ir罩盖(Ir-capped)的欧姆接触随着时间而退化。

[0067] 图8示出与图7a-b相同种类的Ti3SiC2欧姆接触的I/V-特征曲线，但是IrO2层是用作600℃运行的阻挡层。从图8可看出，在实验的过程中实际上改进了性能；至少对于此处记录的1000小时来说接触电阻随着时间降低(线性I/V-特征曲线的斜度增加)。

[0068] 所属技术领域的技术人员认识到，本发明绝不局限于如上所述的优选实施例。相反，很多改进和变化可能处于所附权利要求的范围内。

[0069] 在权利要求中，措辞“包括”不排除其它元件或步骤的存在，并且不定冠词“一个”不排除多个的存在。单处理器或其它单元可完成权利要求记载的若干项目的功能。在彼此不同的从属权利要求中记载的某些测量未示出这些测量组合的纯粹事实不能带来优点。权利要求中的任何附图标记不应当被诠释为限定其范围。