CN102169104A - 基于SiC的MOSFET的汽车发动机用氧传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SiC材料的MOSFET的汽车发动机用氧传感器及其制备方法。利用了碳化硅材料的禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和漂移速度高、热导率大等良好特性，将其作为N型沟道MOSFET的P型衬底，满足高温工作的要求。在MOSFET结构中，在原有的栅氧层上在生长一层氧敏薄膜材料(如YSZ)，金属栅电极采用金属Pt，该MOSFET型氧敏传感器的沟道可以是表面沟道也可以是埋型沟道。在该传感器中，氧浓度的变化可转变为栅氧层单位面积电容的变化，从而导致阈值电压的变化。同时，本发明还给出该SiCMOSFET型氧敏传感器的制作方法。

Description

基于SiC的MOSFET的汽车发动机用氧传感器

技术领域

本发明涉及一种半导体气敏传感器，具体涉及到一种测量汽车发动机中氧浓度的氧气传感器。

技术背景

随着汽车工业的发展，汽车拥有量的急剧增加，使得汽车尾气的排放日益增长，这对城市环境的大气污染变得愈发的严重，因而有必要采取措施使得发动机中燃油充分燃烧，尽可能最大程度地提高燃烧效率，以达到节省燃料、减少汽车尾气等有害气体的排放的目的。因而氧气传感器的研究一直是汽车用传感器研究的一个重要研究领域。目前已经实用化的常见的汽车用氧传感器一般为电化学型，其中又可分为氧浓差型、极限电流型和化学扩散型等。一种广泛用于燃烧过程控制、气氛控制和气体排放控制的化学传感器便是氧化锆ZrO₂氧传感器，它是通过检测排气中的氧浓度提供给电控单元ECU(Electronic Control Unit)，作为控制空燃比(A/F)在最佳值(理论值)附近的基准信号，来微调燃料的喷射量，以使得汽车废气中的CO、HC、NO_x等成分在各种工况下都能得到很高的净化率，最终达到降低环境污染和节省能源的目的。

在电化学型氧传感器中，ZrO₂浓差型氧传感器是最早实用化的氧传感器，这是以固体电解质ZrO₂为基础，掺加2价或3价金属氧化物，如氧化钴CoO、Y₂O₃(氧化钇)等进行固溶后，其气敏材料性能稳定，导电性加强。以被测气体作为浓差电池的一方，已知浓度的参考气体为另一方，通过测量由于ZrO₂的离子导电性而产生的浓差电池的电动势，判定被测气体浓度的大小，它的特点是当燃料浓度处于高的一侧，它有很高的敏感性。

另一种ZrO₂氧传感器便是极限电流型，它是在片状ZrO₂电解质的两侧涂以Pt电极，并把它置于一侧有小孔的腔中。当给电解质外加电压时，气氛中的氧将通过小孔从电解质的一侧向另一侧，当电压逐渐从零增大时，电流最初随电压升高而增大，但由于小孔对氧扩散的限制，最终达到饱和，称饱和电流(或称界限电流)。饱和电流的大小基本上与气体中的氧浓度成正比，因此可以通过饱和电流的测量标定气氛中的氧浓度，可以获得一簇类似晶体三极管特性曲线的恒电流特性曲线，这特性曲线与被测氧浓度一一对应。这就是限流型氧传感器测氧的基本原理。

上述传统的限流型氧传感器的氧检测方法能精确地分析氧的浓度，但其成本高、装置复杂、体积大、使用和维修麻烦，已经不能满足汽车智能化时代对传感器小型化、集成化和网络化控制的要求。大多数的光学氧气传感器灵敏度较低、稳定性较差，也不适用于汽车发动机的恶劣环境。

发明内容

本发明针对现有技术氧化锆ZrO₂氧传感器体积大、难以与控制电路集成的缺陷，设计出了一种新型的半导体氧敏传感器。利用金属铂Pt对吸附氧的催化离解作用，设计出了基于金属Pt电极的金属-氧化物-半导体型场效应晶体管MOSFET结构的氧敏传感器。利用Pt栅极对氧吸附后产生单位面积电容的变化，从而引起阈值电压的变化。通过保持栅源电压恒定，采用二极管连接方式连接成闭合电路，当所检测的氧浓度发生变化时，半导体传感器的漏电流也会发生相应的改变。该种氧敏传感器具有很高的响应速度和灵敏度，采用碳化硅作为衬底材料，能够完全满足在高温、高湿度环境下正常工作的要求。

本发明所述的基于MOSFET的汽车发动机用氧传感器，利用N型沟道MOSFET结构构造氧传感器，在MOSFET结构的氧化硅层上加一层氧气敏感材料，同时在氧敏感材料薄膜上溅射Pt作为金属电极，该氧传感器利用Pt对吸附氧的离解起催化作用，在氧气/铂/氧敏感材料薄膜的三相界面上，使分子状态的氧离解成氧离子O^2-，产生的O^2-在Pt/氧敏感材料界面处与氧敏材料晶格中的O^2-进行置换反应，从而根据氧敏材料薄膜层单位面积电容的变化确定SiC的MOSFET传感器阈值电压，通过测量阈值电压的变化获得氧气浓度的变化，从而实现传感器对氧浓度的测量。

氧敏材料薄膜采用钇稳定氧化锆YSZ，YSZ中被置换出来的O^2-通过YSZ晶体中的空位发生迁移，根据YSZ层单位面积电容C_YSZ可计算栅极单位面积电容C_x，

$C_x=\frac{C_{{\mathrm{SiO}}_2}{C}_{\mathrm{YSZ}}}{C_{{\mathrm{SiO}}_2}+C_{\mathrm{YSZ}}}$

C_YSZ的变化会引起C_x的变化。在MOSFET结构中，阈值电压是栅极单位面积电容C_x的函数，可表示为：

$V_T={\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ms}}+2{\mathrm{\φ}}_F-Q_f/C_x+\sqrt{4{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{SiC}}{\mathrm{\ϵ}}_{0}q{N}_a{\mathrm{\φ}}_F}/C_x$

由上式知，电容的微小变化可转化为阈值电压的变化。对于N型沟道的MOSFET，当工作在饱和区时，有即V_DS≥V_GS-V_T＞0，漏极电流I_D的计算公式为：

$I_D=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{C}_x\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{GS}}-V_T)}^2$

如果栅源电压V_GS保持不变，则阈值电压V_T的变化可通过测量漏电流I_D变化来确定。

本发明还设计一种基于SiC的金属-氧化物-半导体场效应晶体管MOSFET的检测汽车尾气氧浓度的传感器制造方法，以P型碳化硅作为衬底，以氧敏金属氧化物(如：YSZ薄膜材料)作为氧气敏感层材料，在MOSFET结构的栅氧层上生长一层氧敏金属氧化物薄膜(YSZ薄膜)，接着在YSZ薄膜上溅射金属Pt电极。在氧气/铂/氧敏材料薄膜的三相界面上，使分子状态的氧离解成氧离子O^2-，产生的O^2-在Pt/氧敏材料界面处与氧敏材料晶格中的O^2-进行置换反应，从而根据氧敏材料薄膜层单位面积电容C_YSZ的变化确定SiC的MOSFET传感器阈值电压，通过测量阈值电压的变化获得氧气浓度的变化，从而实现传感器对氧浓度的测量。

YSZ薄膜的制备可通过向ZrO₂中加入一定比例的Y₂O₃进行固溶，以形成稳定的YSZ多晶结构。YSZ薄膜中Y₂O₃的掺杂浓度可取典型值为N_a＝10¹⁶cm^-3。

本发明还MOSFET型氧敏传感器中氧敏薄膜，上述的YSZ氧敏层可用包括TiO2氧敏薄膜在内的氧敏金属氧化物代替，在铂Pt电极的催化作用下，氧气浓度的变化会引起TiO2薄膜中电子浓度的变化，从而改变其电导率和介电常数，同样会引起MOSFET结构中的栅氧层单位电容Cox的变化。其具体成膜方法是：采用磁控溅射制备TiO2薄膜，通过在成膜工艺中对TiO2掺杂不同的金属元素(如Fe、W等)，以提高传感器的灵敏度及响应时间。

本发明设计的基于SiC的MOSFET的汽车发动机用的氧传感器采用碳化硅材料作衬底，能在300～600℃连续不冷却地稳定工作，消除了对冷却系统(例如液体冷却系统)的要求，大大减少了传感器的重量和体积；与此同时，采用这种结构可以使传感器与外围电路集成在一块芯片上，便于传感器的集成，提高了传感器性能的可靠性和一致性。本发明不仅实现了氧气传感器在高温下长时间稳定工作，还可降低传感器的制作成本。

附图说明

图1表面沟道的MOSFET氧传感器结构

图2深层埋沟的MOSFET氧传感器结构

图3漏电流变化的测试电路

具体实施方式

本发明所述的基于MOSFET的汽车发动机的氧传感器，采用碳化硅SiC作为衬底材料，能够实现高温下工作的要求。

如表1所以，相比其他半导体材料，碳化硅具有禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和漂移速度高、热导率大等良好特性，从而能够在高温、高压、高频等条件下正常工作。另外，碳化硅高温器件能在300～600℃连续不冷却地稳定工作，消除了对冷却系统(例如液体冷却系统)的要求，大大减轻了重量，增加了工作可靠性。燃料效率的增加，污染的减少，重量的节省带来了巨大的经济和环境效益。

表1几种半导体材料有关参数比较

本发明所述的基于碳化硅SiC的金属-氧化物-半导体型场效应晶体管MOSFET的汽车发动机用的氧传感器，采用半导体N型沟道(导电沟道中的载流子为电子)的MOSFET结构，根据阈值电压V_T确定单位面积电容的变化，以确定氧浓度的变化，保持栅源电压V_GS恒定，并可通过MOSFET的二极管连接电路对漏电流测试。由于阈值电压V_T对于单位面积电容的变化很敏感，此传感器具有很快的响应速度和极高的灵敏度。

如图1、图2所示为本发明采用的N型沟道的MOSFET结构的氧传感器，在MOSFET结构的氧化硅层上加一层氧气敏感材料，可采用钇稳定氧化锆YSZ作为氧敏材料。同时在氧敏材料YSZ薄膜上溅射Pt作为金属电极，该氧传感器利用Pt对吸附氧的离解起催化作用，在氧气/铂/YSZ的三相界面上，根据方程式：

使分子状态的氧离解成氧离子O^2-，即产生的O^2-在Pt/YSZ界面处，与YSZ晶格中的O^2-进行置换反应。YSZ中被置换出来的O^2-，通过YSZ晶体中的空位发生迁移，引起YSZ层单位面积电容C_YSZ的变化，导致基于SiC的MOSFET传感器阈值电压的改变。因此可以通过测量阈值电压的变化而得到氧气浓度的变化，从而实现了传感器对氧浓度的测量。但是，当传感器一直置于氧气O₂中，氧浓度高到一定数值时，O^2-的积累增多，则会对O^2-的积累起阻碍作用，当积累与阻碍积累作用达到平衡时，电容值的变化越来越小，有达到饱和的趋势，此时，阈值电压的变化就比较小，同时响应速度也降低了。

栅极单位面积电容C_x的变化是由C_YSZ的变化引起的。而在MOSFET中，沟道中有电流产生时，栅极单位面积电容的变化就会引起阈值电压V_T的变化，根据以下公式确定阈值电压为：

$V_T={\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ms}}+2{\mathrm{\φ}}_F-Q_f/C_x+\sqrt{4{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{SiC}}{\mathrm{\ϵ}}_{0}q{N}_a{\mathrm{\φ}}_F}/C_x$

从而实现把微小的电容变化转化为电压的变化。

对于N型沟道的MOSFET，当它工作在饱和区时，即V_DS≥V_GS-V_T＞0时，根据以下公式计算漏电流I_D：

$I_D=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{C}_x\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{GS}}-V_T)}^2$

如果栅源电压V_GS保持不变，则阈值电压V_T的变化直接由漏电流I_D的变化来确定。

如图3所示为采用二极管连接方式的测试电路，将MOSFET的漏极与栅极短接，保证MOSFET始终工作在饱和区，同时提供恒定的栅源电压，就可通过测量漏电流I_D的值来检测阈值电压V_T的变化。当安培表A(或电流计)检测出来的电流变化很小，或者不变时，说明汽车尾气中的氧含量已经足够高，反之，如电流变化超过阈值，则氧含量低。然后将实际检测出来的电流变化信号提供给ECU，作为控制空燃比(A/F)在最佳值(理论值)附近的参考信号，来微调燃料的喷射量，就可以使得汽车尾气中所含的CO、HC、NO_x等气体成份的排放量降到最低，在各种工况下都能得到很高的净化率，最终达到降低环境污染和节省能源的目的。

本发明所述的基于SiC的MOSFET的汽车发动机用氧传感器结构采用如图1所示的MOSFET的表面沟道结构，在氧气/铂/YSZ三相界面处，由于铂电极(Pt)催化作用，氧气很容易获得电子，形成氧离子O^-，从而与YSZ中的O^-发生置换反应，并通过YSZ中的氧空位发生迁移，改变YSZ薄膜的离子电导率，进而引起YSZ层单位面积电容C_YSZ的变化。该结构中铂金属层(Pt)除了起催化作用，还作为MOSFET的栅电极，可通过溅射、刻蚀、合金化等工艺在YSZ表面形成。YSZ作为氧敏感层薄膜，作为附加栅绝缘层，与SiO₂栅氧化层一起作为MOSFET的栅氧化层结构，共同影响阈值电压V_T。其改进的结构可采用图2所示的埋沟形式，即在的源、漏有源区形成工艺的基础上，通过离子注入的方式将N型杂质注入到P-SiC沟道区域的表面，在栅氧层的下面形成沟道，当所加栅源电压V_GS使得器件沟道表面处于电子耗尽状态时，即在表面耗尽层下面形成埋层沟道，导电沟道距离栅氧化层下表面具有一定的深度，适用于该传感器结构的埋沟深度典型值为0.10μm～0.20μm这种结构的好处在于可以最大程度上降低器件表面粗糙度散射对器件性能的影响。

本发明涉及的是一种新型的检测汽车尾气氧浓度的基于SiC的MOSFET的传感器制造方法，具体包括以下步骤：

一、YSZ氧敏薄膜的制备

钇稳定氧化锆YSZ是由向氧化锆ZrO₂加入一定比例的氧化钇Y₂O₃进行固溶后得到的。掺杂剂Y₂O₃含量的增加，可导致氧离子空位浓度的提高，从而引起电导率的上升。然而电导率并不会随着掺杂浓度一直线性地增加下去，到达一定程度后，电导率反而会随着掺杂浓度的增加急剧减小。因此，YSZ制备过程中Y₂O₃的掺杂浓度的选择非常重要。其掺杂浓度可取典型值为N_a＝10¹⁶cm^-3(其中，N_a表示YSZ中Y₂O₃的掺杂浓度，其单位为：个/cm³)，表示每立方厘米的YSZ体积内有10¹⁶个Y₂O₃分子。

二、TiO2氧敏薄膜的制备

本发明将上述中的YSZ氧敏层用TiO₂氧敏薄膜代替，其具体制备方法是：采用磁控溅射工艺制备TiO₂薄膜，其具体实施条件如表2所示，同时可以在成膜工艺中对TiO₂掺杂不同的金属元素(如Fe、W等)，以提高传感器的灵敏度及响应时间。之后再将上述制备好的TiO2进行800℃、900℃、1000℃、1100℃四种温度条件下退火，以获得稳定金红石晶体结构的TiO₂薄膜，进一步提高薄膜的稳定性等氧敏特性。

表2TiO₂薄膜制备中的溅射工艺条件

极板间电压	0.34kV
		溅射电流	0.09A
极板间距	8～10cm
		O2/Ar比例	3∶5
系统真空度	5.4×10-3Pa
		系统压强	0.4Pa
溅射时间	15min、30min、45min、60min

二、基于SiC材料的NMOSFET器件的制作

本发明所述的氧传感器，采用的是如图1、图2所示的NMOSFET结构，以P型碳化硅作为衬底，以YSZ薄膜材料作为氧气敏感材料，在传统的MOSFET结构的栅氧层上生长一层YSZ薄膜，接着再在YSZ薄膜上溅射Pt金属电极。通过测量传感器漏电流的变化，可以得到氧气的浓度变化。在制作过程中，应该要根据实际的设计要求，考虑二氧化硅的厚度和YSZ的厚度对传感器氧敏特性的影响。二氧化硅层太厚会引起阈值电压的增加和跨导的降低，反之，厚度太小又会引起栅源耐压的降低。根据经验值，在制作器件的过程中二氧化硅的厚度一般取30-80nm，YSZ的厚度一般取60-200nm。

三、MOSFET氧敏传感器中漏电流的检测

对于本发明所设计的高温汽车用氧气传感器，连接成如图3所示的测试电路。由于MOSFET器件一直工作在饱和区，器件漏电流I_D可根据计算公式

来计算。其中，相关参数可按照以下方式确定。根据公式

计算阈值电压V_T。

其中，φ_ms＝φ_M-φ_S＝φ_M-(χ_s+E_g/2+φ_F)，

${\mathrm{\φ}}_F=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \frac{N_a}{n_i},$ $C_x=\frac{C_{{\mathrm{SiO}}_2}{C}_{\mathrm{YSZ}}}{C_{{\mathrm{SiO}}_2}+C_{\mathrm{YSZ}}},$ $C_{\mathrm{YSZ}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{YSZ}}{\mathrm{\ϵ}}_0}{x_{\mathrm{YSZ}}},$ $C_{{\mathrm{SiO}}_2}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{SiO}}_2}{\mathrm{\ϵ}}_0}{x_{{\mathrm{SiO}}_2}}.$

φ_ms＝φ_M-φ_S＝φ_M-(χ_s+E_g/2+φ_F)，(表示在真空条件下，金属(Pt)与半导体(SiC)的功函数之差)，公式中相关参数的物理含义如下：

φ_M-金属的真空功函数，φ_M(Pt)＝5.28eV

φ_S-半导体的真空功函数

χ_s-半导体的电子亲和力

E_g-半导体的禁带宽度，选用4H-SiC作为衬底，E_g＝3.26eV

φ_F-半导体的费米电势

k-玻尔曼兹常数，k＝1.3807×10^-23J/K

T-绝对温度，T＝(573～873)K

q-电子电量，q＝1.6×10^-19C

N_a-半导体中受主杂质浓度，N_a＝10¹⁶cm^-3

n_i-半导体中本征载流子的浓度，n_i＝1.5×10¹⁰cm^-3

Q_f-单位面积固定的表面态电荷密度，Q_f＝1.3×10^-8C/cm²

-单位面积SiO₂层电容

-二氧化硅的相对介电常数，

ε₀-真空的介电常数，ε₀＝8.85×10^-14F/cm

-二氧化硅层的厚度

C_YSZ-单位面积YSZ层电容

ε_YSZ-YSZ的相对介电常数

x_YSZ-YSZ层的厚度

C_x-栅极单位面积电容

ε_SiC-碳化硅的相对介电常数

本发明的氧气传感器在工作状态时，可将MOSFET的漏极与栅极短接，保证MOSFET始终工作在饱和区，同时用恒压源提供恒定的栅源电压，通过测量漏极电流I_D的变化来检测阈值电压V_T的变化。当漏电流I_D变化很小，或者几乎不变时，说明汽车发动机中的氧含量已经足够高；反之，则氧含量低。将实际检测到的电流变化信号提供给ECU，作为控制空燃比(A/F)在最佳值(理论值)附近的参考信号，微调燃料的喷射量，保障燃油的充分燃烧，可以使得汽车废气中的CO、HC、NO_x等气体成份的排放降到最低，在各种工况下都能得到很高的净化率，最终达到降低环境污染和节省能源的目的。

本发明采用的是一种新型的结构——N型沟道MOSFET，并在MOSFET结构的二氧化硅层上加一层氧气敏感材料，同时在YSZ薄膜上溅射Pt作为金属电极，基本结构利用的是MOSFET的表面沟道结构，其改进的结构可采用埋沟形式，即将器件的沟道置于栅氧层的下面，且距离栅氧层有一定深度处，这种结构的好处在于可以最大程度上降低器件表面粗糙度散射对器件性能的影响。本发明所述的基于碳化硅SiC的MOSFET结构的汽车发动机用的高温氧传感器，采用N型沟道的MOSFET结构，将氧浓度的变化通过单位面积电容的变化，直接反映在阈值电压的变化上，保持栅源电压恒定，并最终通过MOSFET的二极管连接电路对漏电流测试出来。由于阈值电压对于单位面积电容的变化很敏感，此传感器具有很快的响应速度和极高的灵敏度。

Claims (10)

1.基于SiC的MOSFET结构的汽车发动机用氧传感器，其特征在于：在MOSFET结构的氧化硅层上加一层氧敏感材料，同时在氧敏感材料薄膜上溅射金属铂Pt作为金属电极，在氧气/铂/氧敏感材料薄膜的三相界面上，使分子状态的氧离解成氧离子O^2-，产生的O^2-在Pt/氧敏感材料界面处与氧敏感材料晶格中的O^2-进行置换反应，根据氧敏感材料薄膜层单位面积电容C_YSZ的变化确定SiC的阈值电压，通过测量阈值电压的变化获得氧气浓度的变化，从而实现传感器对氧浓度的测量。

2.根据权利要求1所述的汽车发动机用氧传感器，其特征在于：MOSFET结构半导体传感器采用N型表面沟道。

3.根据权利要求1所述的汽车发动机用氧传感器，其特征在于：MOSFET结构采用埋沟形式，即通过离子注入的方式将N型杂质注入到P-SiC沟道区域的表面，在栅氧层的下面形成沟道，沟道深度为0.10μm～0.20μm。

4.根据权利要求1所述的汽车发动机用氧传感器，其特征在于：MOSFET结构采用P型碳化硅作为衬底，氧敏感材料采用YSZ薄膜。

5.根据权利要求1所述的汽车发动机用氧传感器，其特征在于：氧敏感材料采用包括TiO2薄膜在内的氧敏金属氧化物薄膜材料。

6.根据权利要求1-5其中之一所述的汽车发动机用氧传感器，其特征在于：根据公式计算传感器阈值电压V_T，其中，φ_ms金属(Pt)与半导体(SiC)的功函数之差、φ_F-半导体的费米电势、q-电子电量、N_a-半导体中受主杂质浓度，N_a＝10¹⁶cm^-3、Q_f-单位面积固定的表面态电荷密度、ε₀-真空的介电常数、C_x-栅极单位面积电容、ε_SiC-碳化硅的相对介电常数。

7.基于SiC的MOSFET的检测汽车尾气氧浓度的传感器制造方法，其特征在于，以P型碳化硅作为衬底，以氧敏金属氧化物作为氧气敏感层材料，在MOSFET结构的栅氧层上生长一层氧敏金属氧化物薄膜，接着在氧敏金属氧化物薄膜上溅射金属铂Pt电极，在氧气/铂/氧敏金属氧化物薄膜的三相界面上，使分子状态的氧离解成氧离子O^2-，产生的O^2-在Pt/氧敏金属氧化物界面处与氧敏金属氧化物薄膜晶格中的O^2-进行置换反应。

8.根据权利要求7所述的传感器制造方法，其特征在于，MOSFET结构采用埋沟形式，即通过离子注入的方式将N型杂质注入到P-SiC沟道区域的表面，在栅氧层的下面形成沟道，沟道深度典型值为0.10μm～0.20μm。

9.根据权利要求7所述的传感器制造方法，其特征在于，MOSFET结构采用P型碳化硅作为衬底，氧敏感材料采用YSZ薄膜。

10.根据权利要求9所述的传感器制造方法，其特征在于，YSZ薄膜为向氧化锆ZrO₂中加入掺杂浓度为N_a＝10¹⁶cm^-3的氧化钇Y₂O₃进行固溶。

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