JP2007512514A

JP2007512514A - ガス・センサ装置

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Publication number: JP2007512514A
Application number: JP2006539502A
Authority: JP
Inventors: サンドビック，ピーター・ミカ; ティラク，ヴィナヤック; タッカー，ジェス; ウィーヴァー，スタントン・アール; シャドック，デイヴィッド・ミュルフォード; メール、ジョナサン・ロイド; レモン、ジョン・パトリック・; ウッドマンセ，マーク・アラン; ベンカテサン・マニヴァンナン; ハイトコ，デボラ・アン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-11-12
Filing date: 2004-10-12
Publication date: 2007-05-17
Anticipated expiration: 2024-10-12
Also published as: US20050097941A1; WO2005052566A3; US7053425B2; CA2544939A1; JP5290521B2; EP1685394A2; WO2005052566A2

Abstract

【課題】ガス・センサ装置を提供する。
【解決手段】本装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面上に堆積された１つ以上の触媒ゲート電極と、前記半導体基板の前記表面上に堆積された１つ以上のオーミック・コンタクトと、前記表面の少なくとも一部分の上に堆積された不動態化層とを含んでいる。半導体基板は、炭化珪素、ダイヤモンド、III 族窒化物、III 族窒化物の合金、酸化亜鉛、及びこれらの任意の組合せより成る群から選択された材料を含んでいる。
【選択図】図２

Description

本発明はガス・センサ装置に関する。より具体的には、本発明は過酷な環境のためのガス・センサ装置に関する。

窒素酸化物（ＮＯｘ）は一群の高反応性ガスについての一般名称であり、それらの全ては窒素と可変量の酸素とを含有している。窒素酸化物の多くは無色、無臭である。しかしながら、一般的な汚染物質の１つである二酸化窒素（ＮＯ_２）は空気中の粒子と共に多くの都市領域にわたって黄色がかった又は赤茶色の層としてしばしば見ることができる。窒素の他の酸化物もまた、一酸化窒素（ＮＯ）及び亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）のように検出及び監視を必要とすることのある重要な種目である。

窒素酸化物は、燃料が燃焼プロセス中のように高温で燃やされるときに形成される。ＮＯｘの発生源は、例えば、自動車、火力発電所、並びに燃料を燃やす他の産業用、商業用及び家庭用機器である。

周知のように、近年では、環境保護局（ＥＰＡ）及び国際民間航空機機構（ＩＣＡＯ）が、ガスタービン、航空機エンジン、トラック及び機関車のような化石燃料で駆動される機器によって対流圏内に排出される汚染物質の量を制限する規制を実施している。例えば、ＥＰＡは、ディーゼル機関車から排出される排出物の中でとりわけ窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を制限する一連の段階的な規制を発動している。２０００年（段階０）には、ディーゼル機関車は排出するＮＯｘ排出量を９．５ｇｍ／ｈｐ時まで許容されていた。しかしながら、２００５年（段階２）には、このようなエンジンは窒素をベースとした汚染物質を５．５ｇｍ／ｈｐ時のみに、すなわち、段階０での濃度のほぼ半分に制限されている。このような厳格な規制により、製造業者は新しい低排出物燃焼技術を急いで開発することを余儀なくされた。更に、これらの法律はまた相乗効果を有している。製造業者は排出量を制限したいと思うばかりでなく、パワー発生プロセスを能動的に制御するために特定の排気生成物の濃度を用いている。換言すると、炭化水素をベースとした燃料の燃焼が真に熱化学プロセスであるので、流出ガス中に理想的なエンジン「健康モニタ」が見つけられる。燃料空気比を制御するために酸素センサを排気流中に用いる現代の自動車と同様に、工業用パワー発生会社は、規模がより大きいけれども、エンジン性能を制御し診断するために関連したセンサ技術を必要としている。

ＮＯｘや他の排出ガス種目は、特に、自動車、ディーゼル、航空機及び機関車排気流、パワー発生、煙道ガス、ガスタービンのような過酷な環境内で、検知し且つ制御することが困難である。このような過酷な環境はしばしば３００℃〜１０００℃の温度に達する可能性がある。このような環境はまた、しばしば炭化水素、ＮＯｘ及びＳＯｘのようなガスを含有する腐食性雰囲気を有する可能性がある。このような環境は高振動及び高圧力を単独で、又は高温及び／又は腐食性雰囲気と組み合わせて持つことがある。現在の固体ガス・センサは、ガス・サンプリング用プローブの補足的な冷却が設けられていないなら、このような過酷な環境内で動作することが出来ない。電気化学に基づいた他のガス・センサは高価であり、またこのような過酷な環境内に存在する高い温度に耐えることが出来ない。これらのセンサは、ＥＰＡ排出規制の多くを満たすのに必要な精度を有していないことがある。殆どのセラミックをベースとしたセンサは５００℃以下の温度で問題が生じるか又は全く機能しない。
米国特許第６２７８１３３号

従って、最小でも室温から６００℃以上までの広範な温度にわたって動作し又は耐えることが可能である、排出ガス及び他の過酷な環境のガスを検知して監視するガス・センサが必要とされている。このようなガス・センサは許容可能なフルスケール範囲、測定分解能及び信号対ノイズ比を持っていなければならない。

本発明では、表面を持ち、且つ炭化珪素、ダイヤモンド、III 族（３族）窒化物、III 族窒化物の合金、酸化亜鉛、又はこれらの任意の組合せから選択された材料を含む半導体層と、前記表面上に堆積された１つ以上の触媒ゲート電極と、前記表面上に堆積された１つ以上のオーミック・コンタクトと、前記表面の少なくとも一部分の上に堆積された不動態化層と、を含んでいるガス・センサ装置を提供する。

本発明ではまた、表面を持ち、且つ炭化珪素、ダイヤモンド、III 族窒化物、III 族窒化物の合金、酸化亜鉛、又はこれらの任意の組合せから選択された材料を含む半導体基板であって、少なくとも１つの不純物添加層を含む半導体基板と、前記表面上に堆積された１つ以上の触媒ゲート電極と、前記表面上に堆積された１つ以上のオーミック・コンタクトと、前記表面の少なくとも一部分の上に堆積された不動態化層と、当該ガス・センサ装置をカプセル封止する手段と、を含んでいるガス・センサ装置を提供する。

本発明では更に、表面を持ち、且つ炭化珪素、ダイヤモンド、III 族窒化物、III 族窒化物の合金、酸化亜鉛、又はこれらの任意の組合せから選択された材料を含む半導体基板と、前記表面上に堆積された１つ以上の触媒ゲート電極と、前記表面上に堆積された１つ以上のオーミック・コンタクトと、を含んでいるガス・センサ装置であって、該ガス・センサが、更に前記１つ以上のオーミック・コンタクト及び／又は前記１つ以上の触媒ゲート電極の内の少なくとも一部分の上に堆積された白金又は金の層を持つフリップ・チップであるガス・センサ装置を提供する。

本発明ではまた更に、表面を持ち、且つ炭化珪素、ダイヤモンド、III 族窒化物、III 族窒化物の合金、酸化亜鉛、又はこれらの任意の組合せから選択された材料を含む半導体基板と、絶縁層と、前記絶縁層の表面上に堆積された１つ以上の触媒ゲート電極と、前記半導体基板の表面上に堆積された１つ以上のオーミック・コンタクトと、を含んでいるガス・センサ装置であって、該ガス・センサがＭＩＳＦＥＴであるガス・センサ装置を提供する。

本発明では更にまた、ヘテロ構造障壁層及び表面を持ち、且つ炭化珪素、ダイヤモンド、III 族窒化物、III 族窒化物の合金、酸化亜鉛、又はこれらの任意の組合せから選択された材料を含む半導体基板と、前記表面上に堆積された１つ以上の触媒ゲート電極と、前記表面上に堆積された１つ以上のオーミック・コンタクトと、前記１つ以上の触媒ゲート電極の下の前記表面の少なくとも一部分の上に堆積された不動態化層と、を含んでいるガス・センサ装置であって、該ガス・センサがＭＩＳＨＦＥＴであるガス・センサ装置を提供する。

本発明の一実施形態によるガス・センサ装置は、表面を持ち、且つ広いバンド・ギャップ（禁制帯幅）の半導体材料を含む半導体層と、前記表面上に堆積された１つ以上の触媒ゲート電極と、前記表面上に堆積された１つ以上のオーミック・コンタクトとを含んでいる。

これらのガス・センサ装置は、様々なガスの存在を検知し、様々なガスを識別し、様々なガスの濃度を測定するために使用することができる。検知すべき適当なガスは、限定としてではなく例として挙げると、ＮＯ、ＮＯ_２、Ｎ_２Ｏ、ＮＨ_３、ＣＯ、ＳＯ、ＳＯ_２、ＳＯ_３、Ｈ_２、炭化水素（ＨＣ）、ＣＯ_２、及びこれらの任意の組合せである。

本発明のガス・センサ装置は、限定としてではなく例として挙げると、アルミニウム、セメント、肥料、ガラス、鉱物ウール、電力、スチール、硫酸及び廃棄物焼却事業などにおける汚染物質の排出を含む様々な用途におけるガスを監視するために使用することができる。ガス・センサ装置はまた、連邦規則集４０Ｃ．Ｆ．Ｒ．セクション６０及び４０Ｃ．Ｆ．Ｒ．セクション７５にまとめられている米国環境保護局連続排出物監視基準（ＣＥＭＳ）を満すために使用することができる。ガス・センサ装置は更に、欧州連合ＣＥＮ排出物制限値を満すために使用することができる。また更に、ガス・センサ装置は、地方又は連邦の規制当局によって規定されているような「キャップ・アンド・トレード(cap and trade) 」許容差を決定するために連続排出物監視システムに使用することができる。

適当な広いバンド・ギャップの半導体材料は、限定としてではなく例として挙げると、炭化珪素、ダイヤモンド、III 族窒化物、III 族窒化物の合金、酸化亜鉛、及びこれらの任意の組合せである。適当なIII 族窒化物は、限定としてではなく例として挙げると、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、（ＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮのような）三元合金、並びに（ＡｌＩｎＧａＮのような）四元合金である。

広いバンド・ギャップの半導体材料は、過酷な環境の温度及び腐食性状態に耐えることが可能である。更に、これらの材料は、該材料が充分に確立した半導体装置のラインに沿って大規模な装置に製造することができるので、費用効果がよい。また、これらの材料は、広い圧力範囲にわたって広い温度範囲及び過酷な環境内で化学的に安定で、熱的に安定で且つ再現可能な応答を生じる。また、これらの材料は、このような過酷な環境でＳｉ及び他の通常の半導体材料よりもロバスト（安定且つ再生可能）である。

基板はヘテロ構造障壁層を含むことができる。ヘテロ構造障壁層は、半導体基板材料の頂部上に堆積することができ、また１つ以上の触媒ゲート電極及び／又は１つ以上のオーミック・コンタクトと接触状態にすることができる。ヘテロ構造障壁層はガス・センサ装置のガスに対する感度を改善する。いかなる特定の理論に縛られることなく、ヘテロ構造障壁層は、通常の構造に比べて材料内の電荷坦体のシフトに対して感度が非常に高いことにより、感度を改善すると信じられる。半導体装置の抵抗率は、表面の触媒と反応するガスから捕捉される電荷に大きく依存する。

ヘテロ構造障壁層は不純物添加することができる。ヘテロ構造障壁層に不純物添加するのに適した材料は、限定としてではなく例として挙げると、珪素、マグネシウム、マンガン、炭素、バナジウム、チタン、アルミニウム、窒素、及びこれらの任意の組合せである。半導体基板のエピタキシャル層もまた不純物添加することができる。エピタキシャル層に不純物添加するのに適した材料は、限定としてではなく例として挙げると、珪素、マグネシウム、マンガン、炭素、バナジウム、チタン、アルミニウム、窒素、及びこれらの任意の組合せである。ヘテロ構造障壁層及びエピタキシャル層は、それらの一方及び両方に不純物添加することができ、或いはいずれにも不純物添加しなくてもよい。

ガス・センサ装置は過酷な環境内でガスを検知する任意の装置であってよい。適当な装置は、限定としてではなく例として挙げると、電界効果トランジスタ、コンデンサ、ダイオード及び抵抗である。

装置の構成要素の配列は、装置がヘテロ構造型電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）、金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、金属半導体型電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）、金属絶縁体半導体型電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）、金属絶縁体半導体ヘテロ構造型電界効果トランジスタ（ＭＩＳＨＦＥＴ）、又はショットキー・ダイオードになるようにすることができる。

１つ以上の触媒ゲート電極は、検知すべき種目を還元及び／又は酸化することのできる任意の材料を含むことができる。１つ以上の触媒ゲート電極のための適当な材料は、限定としてではなく例として挙げると、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属合金、金属酸化物の組合せ、及びこれらの任意の組合せである。１つ以上の触媒ゲート電極はまた、化学式ＡＢＯ_３の材料を含むことができる。この場合、Ａはランタンであり、Ｂは任意の遷移金属又はアルカリ土類金属である。異なる触媒材料は様々なガスに対して異なる感度を有している。従って、１つ以上の触媒ゲート電極を持つセンサは、材料の選択及び配置構成に依存して、複数のガスを検出し、ガスを識別し、且つ各々のガスの濃度を決定することが可能である。各センサ装置が１つ以上の触媒ゲート電極を持つことができるが、各々の装置が１つ以上の触媒ゲート電極を持つセンサ装置アレイ（配列体）も想定される。

触媒金属材料は過酷な環境の高い方の温度で熱的に且つ化学的に安定であり、且つ炭化水素を含む多数のガス種目と反応することができる。適当な金属は、限定としてではなく例として挙げると、白金、ルテニウム、銀、パラジウム、イリジウム、インジウム、ロジウム、チタン、アルミニウム、金、ニッケル、レニウム、タンタル、オスミウム、及びこれらの任意の組合せである。触媒金属は合金として組み合わせることができる。適当な金属合金は、限定としてではなく例として挙げると、白金／ロジウム、パラジウム／イリジウム、白金／チタン／金、白金／ルテニウム、白金／イリジウム、白金／金、及びこれらの任意の組合せである。

触媒酸化物材料はまた過酷な環境の高い方の温度で熱的に且つ化学的に安定であり、且つ関心のある多数のガス種目と反応することができる。金属酸化物触媒は過酷な環境内でＮＯｘのようなガスに対して安定性及び感度を保持する。金属酸化物触媒はまた、典型的には過酷な環境内に見いだされる腐食物及び毒物に対して安定であり、且つ炭化水素と反応する。適当な金属酸化物は、限定としてではなく例として挙げると、酸化ガリウム、酸化銀、酸化インジウム、酸化バナジウム、Ａｇ_２Ｏ、Ｍｎ_２Ｏ_３、ＣｕＯ、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｃｏ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｖ_２Ｏ_５、ＺｎＯ、Ｇｅ_２Ｏ_３、ＦｅＯ_２、モリブデン酸ビスマス、及びこれらの任意の組合せである。金属酸化物をベースとした酸化触媒はロバストであり、従って、過酷な環境内のガスに対して安定な応答性及び感度を保持する。更に、ＮＯｘの検知の場合、酸化触媒はＮＯからＮＯ_２への変換を可能にし、その場合、例えば、吸収性表面により検出されるとき、信号感度がかなり増大する。

金属酸化物は組み合わせて酸化物の組合せとすることができる。酸化物の組合せは、触媒材料の単一の層の部分とすることができる。適当な酸化物の組合せは、限定としてではなく例として挙げると、白金／酸化錫、白金／酸化インジウム、酸化亜鉛／酸化バナジウム、酸化インジウム／酸化錫／酸化マンガン、及びこれらの任意の組合せである。

１つ以上の触媒ゲート電極は触媒材料層の多層積重体とすることができる。触媒材料層の各々は単一の触媒材料又は触媒材料の組合せ／合金を含むことができる。触媒材料層の各々は、異なるガスを検知することのできるものとすることができる。白金、チタン及び金の多層積重体は特に過酷な環境内でロバストである。

１つ以上の触媒ゲート電極内の各々の材料層は、厚さを約５０Å〜約８０００Å、より好ましくは約１００Å〜約５０００Å、もっとも好ましくは約２００Å〜約３０００Åとすることができる。

１つ以上のオーミック・コンタクトは、装置に物理的及び電気的接触することのできる任意の材料を含むことができる。１つ以上のオーミック・コンタクトのための適当な材料は、限定としてではなく例として挙げると、チタン、アルミニウム、金、ニッケル、クロム、インジウム、及びこれらの任意の組合せである。

１つ以上のオーミック・コンタクトは材料の多層積重体とすることができる。１つ以上のオーミック・コンタクトのための適当な多層積重体は、限定としてではなく例として挙げると、チタン／アルミニウム／チタン／金、チタン／アルミニウム、ニッケル、ニッケル／アルミニウム、ニッケル／クロム、インジウム、及びこれらの任意の組合せである。

１つ以上のオーミック・コンタクト内の各々の材料層は、厚さを約１００Å〜約２０００Å、より好ましくは約３００Å〜約１５００Å、もっとも好ましくは約５００Å〜約１３０００Åとすることができる。

不動態化層を装置の少なくとも一部分の上に堆積することができる。この不動態化層は、基板と１つ以上の触媒ゲート電極との間に配置することができる。不動態化層はガス・センサ装置の熱安定性及び再現性を改善することができる。不動態化層は任意の既知の方法により堆積することができる。適当な堆積方法は、限定としてではなく例として挙げると、プラズマ強化化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）、パルス・レーザ堆積法（ＰＬＤ）、低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ）、及びこれらの任意の組合せである。例えば、窒化珪素又は二酸化珪素のＬＰＣＶＤ成長層をIII 族窒化物半導体基板上に堆積し、その不動態化層の頂部上に触媒ゲート電極を堆積することができる。このＬＰＣＶＤの例では、オーミック・コンタクトが先ず不動態化層をエッチングすることによって堆積される。ＬＰＣＶＤにより堆積された窒化珪素及び／又は二酸化珪素は、効果的な不動態化層として作用するのに加えて、過酷な環境内で非常に安定であり、ゲート漏洩を低減するように作用する。

不動態化層は、半導体の表面に存在する自由電荷坦体の数を減少させ、もって装置のドリフトを最小にすることのできる任意の材料を含むことができる。不動態化層のための適当な材料は、限定としてではなく例として挙げると、窒化珪素、二酸化珪素、ＭｇＯ、Ｓｒ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ｌｎ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＡｌＮ、炭素、及びこれらの任意の組合せである。

不動態化層は、厚さを約１００Å〜約８０００Å、より好ましくは約２５０Å〜約５０００Å、もっとも好ましくは約５００Å〜約３０００Åとすることができる。

絶縁材料の層を半導体と１つ以上の触媒ゲート電極との間に配置することができる。このような絶縁材料は可動イオン損傷を低減し且つガス・センサ装置内のドリフトを最小にする。適当な絶縁材料は、限定としてではなく例として挙げると、ポリシリケート・ガラス、二酸化珪素、窒化珪素、及びこれらの任意の組合せである。この層はまた、下側位置の層（例えば、半導体表面又は不動態化層）に対する触媒材料の物理的接着を改善する。

ガス・センサ装置はカプセル封止することができる。カプセル封止は更に、装置を過酷な環境の高温及び腐食性雰囲気から保護する。カプセル封止材は、ガスへの露出からの利益を得ることのない装置のオーミック・コンタクト金属及び周辺領域をしっかりと覆うように作用する。この被覆はまた、時間の経過に連れて装置に害をなす恐れのあるガス又は他の腐食性分子の流れを許容しない結合部を下側位置の層と形成することによって、強化することができる。カプセル封止のための適当な材料は、限定としてではなく例として挙げると、炭化珪素、アルミナを含有するもののようなセラミックをベースとしたエポキシ、ガラス、石英、窒化珪素、二酸化珪素、及びこれらの任意の組合せである。カプセル封止層は、プラズマ強化化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）、低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ）、及びこれらの任意の組合せのような、任意の既知の方法によって堆積することができる。カプセル封止は、１つ以上の触媒ゲート電極の少なくとも一部分が周囲ガスに露出した状態に留まるようにする。

有利なことに、ＧａＮ及び／又はＳｉＣのような広いバンドギャップの材料を不動態化層と共に利用することにより装置の安定性が特に上昇した温度で大きくなることが判明した。装置の電子特性は高感度の装置において制御するのが特に重要であり、また不動態化層の追加により、この面はかなり改善することができる。その上、カプセル封止層を更に追加して適用することによって、これらのガス・センサが高い温度に良く適したものになること、並びに排出ガス用途のような過酷な環境内に存在する潜在的に有害な成分の多くからの保護が得られるということが判明した。これらは、限定としてではなく例として挙げると、未燃焼の炭化水素を生じる煤及び他の粒状物質、及び／又は排出システムを通過してしまうオイルである。このような粒状物質は、ガス・センサが流れ中に直接適用される場合、粒状物質が装置の表面に付着して（及び／又は表面を侵食して）触媒を排気流中のＮＯｘに接触させないことがあるので、潜在的にガス・センサに対して損害を与える恐れがある。カプセル封止材の適用により、センサを保護して、動作可能な寿命を大幅に伸ばすことができる。従って、過酷な環境内でガスを検知することの可能なガス・センサは、沸騰水型原子炉の排出ガス、ガス・タービン排出ガス、自動車及び機関車のディーゼル・エンジンの排気、工業処理（ガラス、アルミニウム、鋼、及び石油）プラントの排気において特別な用途がある。

別の面において、ガス・センサ装置はフリップ・チップ構成でカプセル封止して配置される。フリップ・チップ構成では、ガス・センサ装置は上下逆にひっくり返されて、金属接点を含む装置の頂部表面領域の全てと、触媒層が配置される装置の検知領域を囲む領域とが、監視すべきガスから保護されるようにする。追加の保護板がチップの後面を保護する。装置の検知領域の直ぐ上方で、チップの頂部表面を取り付けるセラミック板の中にスリット又は開口部が設けられて、ガスが検知のために触媒へ流れることができるようにする。ガス・センサ装置の構成要素をカプセル封止層中のリードに相互接続するために、白金又は金のような高温で安定な導電材料の層を使用することができる。このフリップ・チップ構成では、疲労破損を生じ易い従来のワイヤ・ボンドよりも一層大きい振動及び一層高い（例えば、５００℃より大きい）温度の環境内で相互接続が可能である。ガス・センサ装置の１つ以上のオーミック・コンタクト及び／又は１つ以上の触媒ゲート電極のような構成要素をリードに接続するために白金及び／又は金の「突出部」を使用した相互接続は、過酷な環境内でガス・センサ装置を使用できるようにするのに役立つ。

更に別の面においては、ガス・センサ装置は、約−４０℃〜約１０００℃、より好ましくは約２５℃〜約８００℃、もっとも好ましくは約２５℃〜約６００℃の範囲の周囲環境内で動作可能である。このような周囲状態では、センサは、使用されている触媒ゲート電極材料に依存して、様々なガスを検知する能力を保持する。

また更に別の面においては、ガス・センサ装置は、ガス装置を加熱する手段を含むことができる。加熱手段は、エピタキシャル層の周りに、半導体チップの下側に、パッケージ上に、及びそれらの任意の組合せで配置することができる。加熱手段は、ガス・センサ装置と接触して直接配置された金属層、又はガス・センサ装置に隣接して配置された熱電型ヒータのような、別個の素子であってよい。加熱手段はまた、ガス検知装置自体であってもよい。一面においては、ガス・センサ装置を所望の温度まで加熱するためにガス・センサ装置に大電流を通すことができる。ガス・センサ装置の表面への熱の付加の結果として、応答時間を一層速くし、従って、感度を一層高くすることができる。いかなる特別な理論によって制限されることなく、熱は触媒の表面におけるガス種目の残留時間を減少させると信じられる。加熱手段はまた、測定すべきガス流環境が所要の温度に達していないときでも、触媒の温度を高くして、ガス種目に対する感度を高くするように、ガス・センサ装置の温度を調節可能にすることができる。これは、ごく最近になってエンジンを始動したときに検知することを必要とするこのような用途において重要なことがある。ガス・センサ装置を最大動作可能温度のような一定の温度に保つことにより、信号のいかなる温度依存性も取り除くこともできる。その上、センサの加熱は意図的に修正することにより、ガスのその種目に対する反応度についての触媒の温度依存性によって定まるような様々なガスに対する選択的な応答を提供することができる。

また別の面において、ガス・センサ装置は、任意の既知のパッケージ内に実装すること
ができる。パッケージは、ガス・センサ装置の１つ以上の触媒ゲート電極に接触するガス種目の種類及び／又は量を制限又は調整するための手段を含むことができる。ガス種目の種類及び／又は量を制限又は調整するための適当な手段は、限定としてではなく例として挙げると、入口孔を覆うカプトン又はテフロン（登録商標）のような薄いフィルム、多孔質隔膜のフィルタ媒体（例えば、鋼ウール又は石英ウール）、及びこれらの任意の組合せである。ガス・センサ装置のアレイに異なる隔膜材料を設けるパッケージ技術により、様々なガスについての選択性が得られる。

ここで図面、特に図１について説明すると、ガス・センサ装置の一例を参照数字１０で示している。半導体基板１２上に触媒ゲート電極１４並びにオーミック・コンタクト１６及び１８が設けられている。

図２は別の例のガス・センサ装置２０を示しており、該装置は半導体基板２２、オーミック・コンタクト２４、並びに触媒ゲート電極２６、２８及び３０を有している。ゲート電極２６、２８及び３０に様々な触媒材料を使用することにより、一組のガスに対して感応性が得られる。様々なガスを同時に検知する能力を持つガス・センサ装置は、複雑で過酷な環境の実時間監視を行うことができる。

［実施例１］
図３は、ＭＩＳＨＦＥＴ構成にした一例のガス・センサ装置３２を示す。このＭＩＳＨＦＥＴ構成の例では、不純物添加してないＧａＮ基板３４上に、不純物添加してないＡｌＧａＮヘテロ構造障壁層３６が設けられている。ここで、これらの半導体材料が前に述べた広いバンド・ギャップの材料、例えば、二元及び三元III 族窒化物のいずれかと置換できることを理解されたい。この例での基板３４及びヘテロ構造障壁層３６は、フォトリソグラフィを使用してパターン形成し、誘導結合プラズマ強化反応性イオン・エッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）を使用してエッチングする。ＩＣＰ−ＲＩＥは、ＧａＮ及びＳｉＣのようなロバストな材料を乾式エッチングする特別に強化した方法であり、半導体処理技術を実用している者には広く知られている。ＬＰＣＶＤ成長の窒化珪素及び／又は二酸化珪素のような不動態化層３８が堆積される。不動態化層３８は、オーミック・コンタクト４０及び４２を堆積する領域からエッチングにより除去される。オーミック・コンタクト４０及び４２は、例えば、チタン（Ｔｉ）層、アルミニウム（Ａｌ）層、Ｔｉ層及び金（Ａｕ）層（２００Å／１０００Å／４５０Å／５５０Å）より成る多層積重体を構成するように堆積して、例えば約８００℃の温度で約６０秒の間、アニールする。触媒ゲート電極４４が、例えば、単一の白金（Ｐｔ）層、Ｔｉ層、Ａｌ層及びＡｕ層（５００Å／２００Å／５００Å／５０００Å）より成る多層積重体を構成するように不動態化層３８上に堆積される。この例のようなＭＩＳＨＦＥＴ型ガス・センサ装置は、過酷な環境内で４００℃以上のような高い温度で高い安定性及び再現性を有する。また、この例では１つの触媒ゲート電極を示しているけれども、１つ以上の触媒ゲート電極を各ガス・センサ装置に設けることができること、及び／又はガス・センサ装置のアレイ（配列）を用いることができることを留意されたい。

別の例では、図３のガス・センサ装置３２は、ヘテロ構造障壁層３６を除去し且つ特徴部４４を二酸化珪素又は窒化珪素のような絶縁層とすることによって、ＭＩＳＦＥＴ装置として表すことができる。

［実施例２］
図４は、ＨＦＥＴ構成にした別の例のガス・センサ装置４８を示す。このＨＦＥＴ構成のガス・センサ装置の例では、不純物添加してないＧａＮ基板５０に、不純物添加してないＡｌＧａＮヘテロ構造障壁層５２が設けられている。ここで、これらの半導体材料が前に述べた広いバンド・ギャップの材料、例えば、二元及び三元III 族窒化物のいずれかと置換できることを理解されたい。基板５０及びヘテロ構造障壁層５２は、フォトリソグラフィを使用してパターン形成し、ＩＣＰ−ＲＩＥを使用してエッチングする。オーミック・コンタクト５４及び５６が、例えば、Ｔｉ層、Ａｌ層、Ｔｉ層及びＡｕ層（２００Å／１０００Å／４５０Å／５５０Å）より成る多層積重体を構成するようにヘテロ構造障壁層５２上に堆積される。オーミック・コンタクトは例えば約８００℃の温度で、約６０秒の間、アニールすることができる。触媒ゲート電極５８が、例えば、Ｐｔ層、Ｔｉ層、Ａｌ層及びＡｕ層（５００Å／２００Å／５００Å／５０００Å）より成る多層積重体を構成するようにヘテロ構造障壁層５２上に堆積される。窒化珪素のような不動態化層６０が装置の上に堆積される。また、この例では１つの触媒ゲート電極を示しているけれども、１つ以上の触媒ゲート電極を各ガス・センサ装置に設けることができること、及び／又はガス・センサ装置のアレイ（配列）を用いることができることを留意されたい。

［実施例３］
図５は、ショットキーダイオード構成にした更に別の例のガス・センサ装置６２を示す。このショットキーダイオード構成のガス・センサ装置の例では、不純物添加したＧａＮ基板６４が、フォトリソグラフィを使用してパターン形成され、ＩＣＰ−ＲＩＥを使用してエッチングされている。ここで、これらの半導体材料が前に述べた広いバンド・ギャップの材料、例えばＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ及び炭化珪素のいずれかと置換できることを理解されたい。オーミック・コンタクト６６及び６８が、例えば、Ｔｉ層、Ａｌ層、Ｔｉ層及びＡｕ層（２００Å／１０００Å／４５０Å／５５０Å）より成る多層積重体を構成するように基板６４上に堆積される。オーミック・コンタクトは例えば約８００℃の温度で、約６０秒の間、アニールすることができる。触媒ゲート電極７０が、例えば、Ｐｔ層、Ｔｉ層、Ａｌ層及びＡｕ層（５００Å／２００Å／５００Å／５０００Å）より成る多層積重体を構成するように基板６４上に堆積される。窒化珪素のような不動態化層７２が装置の上に堆積される。また、この例では１つの触媒ゲート電極を示しているけれども、１つ以上の触媒ゲート電極を各ガス・センサ装置に設けることができること、及び／又はガス・センサ装置のアレイ（配列）を用いることができることを留意されたい。

［実施例４］
図６は、ＭＯＳＦＥＴ構成にしたまた更に別の例のガス・センサ装置７４を示す。このＭＯＳＦＥＴ構成のガス・センサ装置の例では、炭化珪素のｎ型基板７６の上に、４ミクロン（μｍ）の厚さを持つ５ｅｌ５ｐ型エピタキシャル層のようなｐ−エピタキシャル層７８が設けられている。メサ８０がエッチングにより形成され、そのためには、レジストを堆積し、像を形成し、パターン形成し、エピタキシャル層７８をエッチングし、そしてレジストを剥離する。次いで、ｎ−チャンネル８２が注入(implantation)により形成され、そのためには、フォトレジスト・マスク及びＲＩＥエッチ酸化物を使用して１μｍのＨＴＯ酸化物層を堆積して緻密化し、スクリーン酸化物を堆積し、箱形分布を得るために３つのインプラント(implant) を使用するｎ−チャンネル８２を６００℃、１８０ＫｅＶ、ｎイオンでエピタキシャル層７８の中に注入し、そして酸化物を剥離する。次いで、Ｎ＋ソース８４及びＮ＋ドレイン８６が注入により形成され、そのためには、フォトレジスト・マスク及びＲＩＥエッチ酸化物を使用して１μｍのＨＴＯ酸化物層を堆積して緻密化し、スクリーン酸化物を堆積し、箱形分布を得るために３つのインプラントを使用するＮ＋ソース８４及びＮ＋ドレイン８６を６００℃、ｎイオンでエピタキシャル層７８の中に注入し、そして酸化物を剥離する。次いで、頂部又は本体部コンタクト用のＰ＋インプラント８８がイオン注入により形成され、そのためには、フォトレジスト・マスク及びＲＩＥエッチ酸化物を使用して１μｍのＨＴＯ酸化物層を堆積して緻密化し、スクリーン酸化物を堆積し、箱形分布を得るために４つのインプラントを使用するＰ＋コンタクト８８を１０００℃、１８０ＫｅＶ、Ａｌ及び／又はＣイオンでエピタキシャル層７８の中に注入し、そして酸化物を剥離する。インプラント８２、８４、８６及び８８は、次いで、１３００℃でアニールされる。表面損傷を除くために犠牲的な酸化が必要とされることがある。次いで、ＳｉＯ_２のようなフィールド酸化物層９０を、熱酸化によって３００オングストローム成長させ、１μｍのＨＴＯ酸化物層及び珪酸燐ガラス（ＰＳＧ）を堆積して緻密化し、フォトレジストでパターン成形し、ＩＣＰエッチング（８０％）し、チャンネルにおいて湿式エッチング（２０％）する。フィールド酸化物層９０はガス・センサ装置の表面を保護するのに役立つ。次いで、高品質のＳｉＯ_２のようなゲート酸化物９２を１１００℃の蒸気酸化によって（５００オングストローム）成長させ、９５０℃の蒸気で再酸化アニールする。次いで、ニッケル又はモリブデンのようなゲート金属９４が堆積され、そのために、光パターン形成を行い、約４０００オングストロームのゲート金属を蒸着又はスパッタリングし、そしてフォトレジストを除去する。次いで、ニッケル及び／又は金のようなオーミック・コンタクト９４及び９６が堆積され、そのために、酸化物エッチバックを持つ光パターン形成を行い、ニッケル及び／又は金を蒸着又はスパッタリングし、金属のリフトオフ(lift-off)を行う。次いで、Ｔｉ／Ａｌ及び／又はＮｉ／ＡｌのようなＰ−オーミック・コンタクト９８が堆積され、そのためには、酸化物エッチバックを持つ光パターン形成を行い、Ｐ＋コンタクト８８の頂部上にＴｉ／Ａｌ及び／又はＮｉ／Ａｌ層を蒸着又はスパッタリングし、金属をリフトオフし、９７５℃で（Ｎ２及び／又はＡｒ雰囲気中で約２分間）オーミック・コンタクト９４、９６及び９８をアニールする。ゲート金属９４は、光パターン形成を行い、約３０００オングストロームの触媒ゲート電極材料を蒸着又はスパッタリングし、フォトレジストを剥離し、そして触媒を活性化するために６００℃でアールすることによって、堆積される。次いで、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕのようなオーバーレイ１００が堆積され、そのためには、光パターン形成を行い、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕを蒸着し、そしてフォトレジストを剥離する。次いで、不動態化層１０２が堆積される。ここで、この例では１つの触媒ゲート電極を示しているけれども、１つ以上の触媒ゲート電極を各ガス・センサ装置に設けることができること、及び／又はガス・センサ装置のアレイ（配列）を用いることができることも留意されたい。

［実施例５］
図７は、更に別の例のガス・センサ装置１０６の上面図を示し、該装置は不動態化層１０８並びに相互接続用の白金の突出部１１６、１１８及び１２０を持つ。白金の突出部１１６、１１８及び１２０はオーミック・コンタクト１１０及び１１２並びに触媒ゲート電極１１４の上に堆積される。ここで、相互接続用の白金の突出部は、オーミック・コンタクトのみの上に、又は触媒ゲート電極のみの上に、又は両方の上に設けてもよいことに留意されたい。また、この例では１つの触媒ゲート電極を示しているけれども、１つ以上の触媒ゲート電極を各ガス・センサ装置に設けることができること、及び／又はガス・センサ装置のアレイを用いることができることに留意されたい。

［実施例６］
図８は、カプセル封止手段１２４を持つ別の例のガス・センサ装置１２２をす。基板１２６の上にオーミック・コンタクト１２８及び１３０並びに２つの触媒ゲート電極１３２及び１３４が設けられている。触媒ゲート電極１３２及び１３４は、ガス種目が触媒材料と接触することができるように、カプセル封止手段の外側に露出している。この例はまた、オーミック・コンタクト１２８及び１３０が白金の突出部１４０及び１４２によってリード１３６及び１３８へ相互接続されているフリップ・チップ配置構成を示している。また、この例では二重触媒ゲート電極を示しているけれども、１つ以上の触媒ゲート電極を各ガス・センサ装置に設けることができること、及び／又はガス・センサ装置のアレイを用いることができることに留意されたい。

［実施例７］
図９は、一例のガス・センサ装置１４６のための一例のパッケージ１４４を示す。ガス・センサ装置１４６は第１の管１４８内に配置される。第１の管１４８は第２の管１５０の中に、ガス種目が第１の管１４８内の空間１４９に入って、ガス・センサ装置１４６を通り過ぎ、次いで第１の管１４８と第２の管１５０との間の第２の空間１５１を通って出て行くように、配置される。ガスの方向は逆向きに流れるようにもすることができる。パッケージ１４４はまた、基板１５２、熱障壁１５４、シュラウド１５６及び信号接続部１５８を含んでいる。

以上の例は特定の基板材料、触媒ゲート電極材料、オーミック・コンタクト材料及び他の特定した材料を使用することができるけれども、これらの材料の異なる変形を用いることができることに留意されたい。

また、「第１」、「第２」、「第３」、「上側」、「下側」などの用語は様々な要素を修飾するために使用することができることに留意されたい。。これらの修飾は、特に規定しない場合は、修飾した要素についての空間的、逐次的、又は階層的順位を意味するものではない。

これまで１つ以上の模範的な実施形態について述べたが、本発明の範囲から逸脱することなくその要素について様々な変更を為すことができると共に等価物と置換できることが当業者には理解されよう。更に、特定の状況及び部材を、本発明の範囲から逸脱することなく本発明の教示に適合させるように様々な修正をなすことができる。従って、本発明は、発明を実施するための最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲内に入る全ての実施形態を包含するものである。

ガス・センサ装置の一例の断面図である。ガス・センサ装置の一例の斜視図である。ＭＩＳＨＦＥＴ型ガス・センサ装置の一例の断面図である。ＨＦＥＴ型ガス・センサ装置の一例の断面図である。ショットキー・ダイオード型ガス・センサ装置の一例の断面図である。ＭＯＳＦＥＴ型ガス・センサ装置の一例の断面図である。白金の相互接続用突出部を持つガス・センサ装置の一例の上面図である。フリップ・チップ型ガス・センサ装置の一例の断面図である。一例のガス・センサ装置のためのパッケージの一例の略図である。

符号の説明

１０、２０ガス・センサ装置
１２、２２半導体基板
１４、２６、２８、３０触媒ゲート電極
１６、１８、２４オーミック・コンタクト
３２ＭＩＳＨＦＥＴ構成のガス・センサ装置
３４ＧａＮ基板
３６ヘテロ構造障壁層
３８不動態化層
４０、４２オーミック・コンタクト
４４触媒ゲート電極
４８ＨＦＥＴ構成のガス・センサ装置
５０ＧａＮ基板
５２ヘテロ構造障壁層
５４、５６オーミック・コンタクト
５８触媒ゲート電極
６０不動態化層
６２ショットキーダイオード構成のガス・センサ装置
６４ＧａＮ基板
６６、６８オーミック・コンタクト
７０触媒ゲート電極
７２不動態化層
７４ＭＯＳＦＥＴ構成のガス・センサ装置
７６ｐ型基板
７８ｐ−エピタキシャル層
８０メサ
８２ｎ−チャンネル
８４Ｎ＋ソース
８６Ｎ＋ドレイン
８８Ｐ＋コンタクト
９０フィールド酸化物層
９２ゲート酸化物
９４ゲート金属
９８Ｐ−オーミック・コンタクト
１００オーバーレイ
１０２不動態化層
１０６ガス・センサ装置
１０８不動態化層
１１０、１１２オーミック・コンタクト
１１４触媒ゲート電極
１１６、１１８、１２０相互接続用の白金の突出部
１２２ガス・センサ装置
１２４カプセル封止手段
１２６基板
１２８、１３０オーミック・コンタクト
１３２、１３４触媒ゲート電極
１３６、１３８リード
１４０、１４２白金の突出部
１４４パッケージ
１４６ガス・センサ装置
１４８第１の管
１４９第１の空間
１５０第２の管
１５１第２の空間
１５４熱障壁
１５６シュラウド
１５８信号接続部

Claims

表面を持ち、且つ炭化珪素、ダイヤモンド、III 族窒化物、III 族窒化物の合金、酸化亜鉛、及びこれらの任意の組合せより成る群から選択された材料を含む半導体層（１２）と、
前記表面上に堆積された１つ以上の触媒ゲート電極（１４）と、
前記表面上に堆積された１つ以上のオーミック・コンタクト（１６）と、
不動態化層（３８，６０，７２）と
を有しているガス・センサ装置（１０）。
前記半導体層は、炭化珪素、窒化ガリウム、窒化アルミニウム・ガリウム、及びこれらの任意の組合せより成る群から選択された材料を含んでいる、請求項１記載のガス・センサ装置。
前記ガス・センサは、ＨＦＥＴ、窒化珪素の不動態化層を持つＭＩＳＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴ、ＭＩＳＨＦＥＴ及びショットキーダイオードより成る群から選択されたものである、請求項１記載のガス・センサ装置。
前記ガス・センサは、約−４０℃〜約８００℃の範囲の周囲環境内で動作可能である、請求項１記載のガス・センサ装置。
更に、加熱手段を含んでいる請求項１記載のガス・センサ装置。
前記ガス・センサは、ＮＯ、ＮＯ_２、Ｎ_２Ｏ、ＮＨ_３、ＣＯ、ＳＯ、ＳＯ_２、ＳＯ_３、ＣＯ_２、Ｏ_２、Ｈ_２、炭化水素、及びこれらの任意の組合せより成る群から選択されたガスを検知することができる、請求項１記載のガス・センサ装置。
表面を持ち、且つ炭化珪素、ダイヤモンド、III 族窒化物、III 族窒化物の合金、酸化亜鉛、及びこれらの任意の組合せより成る群から選択された材料を含む半導体基板（１２）であって、少なくとも１つの不純物添加層を含む半導体基板（１２）と、
前記表面上に堆積された１つ以上の触媒ゲート電極（１４）と、
前記表面上に堆積された１つ以上のオーミック・コンタクト（１６）と、
前記表面の少なくとも一部分の上に堆積された不動態化層（３８，６０，７２）と、
当該ガス・センサ装置をカプセル封止する手段（１２４）と
を有しているガス・センサ装置（１０）。
表面を持ち、且つ窒化珪素、炭化珪素、ダイヤモンド、III 族窒化物、III 族窒化物の合金、酸化亜鉛、及びこれらの任意の組合せより成る群から選択された材料を含む半導体基板（１２）と、
前記表面上に堆積された１つ以上の触媒ゲート電極（１４）と、
前記表面上に堆積された１つ以上のオーミック・コンタクト（１６）と、
前記１つ以上のオーミック・コンタクト及び／又は前記１つ以上の触媒ゲート電極の内の少なくとも一部分の上に堆積された白金及び／又は金の層（１１６）と、を有するガス・センサ装置（１０）であって、
当該ガス・センサがフリップ・チップ（１２２）であることを特徴とするガス・センサ装置（１０）。
表面を持ち、且つ炭化珪素、ダイヤモンド、III 族窒化物、III 族窒化物の合金、酸化亜鉛、及びこれらの任意の組合せより成る群から選択された材料を含む半導体基板（１２）と、
絶縁層（３８）と、
前記絶縁層の表面上に堆積された１つ以上の触媒ゲート電極（１４）と、
前記半導体基板の表面上に堆積された１つ以上のオーミック・コンタクト（１６）と、を有するガス・センサ装置（１０）であって、
当該ガス・センサがＭＩＳＦＥＴであることを特徴とするガス・センサ装置（１０）。
ヘテロ構造障壁層及び表面を持ち、且つ炭化珪素、ダイヤモンド、III 族窒化物、III 族窒化物の合金、酸化亜鉛、及びこれらの任意の組合せより成る群から選択された材料を含む半導体基板（１２）と、
前記表面上に堆積された１つ以上の触媒ゲート電極（１４）と、
前記表面上に堆積された１つ以上のオーミック・コンタクト（１６）と、
前記１つ以上の触媒ゲート電極の下の前記表面の少なくとも一部分の上に堆積された不動態化層（３８，６０，７２）と、を有するガス・センサ装置（１０）であって、
当該ガス・センサがＭＩＳＨＦＥＴであることを特徴とするガス・センサ装置（１０）。