一种耐高温高灵敏度气体传感器及其制备方法与流程

1.本发明属于气体传感技术领域，具体涉及一种气体传感器及其制备方法。


背景技术：

2.目前商用化的气体探测器大都数工作在-40度到70度温度范围之内。然而许多工业应用场所，如冶金工业、火力发电厂以及石油勘探等有很多高温工作区，一般工作温度可高达150度左右。在这种高温环境下，常规的气体探测器无法正常可靠工作，工业界急需一种气体传感器具有良好的耐高温特性，具有较高的检测精度和灵敏度，具有较好的气体探测稳定性，并且在高温环境下具有较长的使用寿命。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种耐高温高灵敏度气体传感器及其制备方法，以实现高温环境下气体探测。
4.本发明提出的耐高温高灵敏度气体传感器的制备方法，具体步骤如下：（1）在n型重掺杂的sic衬底上外延一层p型sic；（2）在p型sic上再外延生长一层n型重掺杂的sic，形成npn三明治结构；（3）在npn三明治结构上形成一个三角形凹槽；（4）在三角凹槽中淀积一层氧化物介质材料；（5）在氧化物介质材料上淀积一层贵重金属纳米颗粒。
5.优选地，步骤(1）中所述的n型重掺杂的sic衬底，其厚度为200μm～ 500μm，掺杂浓度为10
19
～10
20 cm-3
；所述的外延p型sic，其厚度为1μm ～ 10μm，掺杂浓度为10
16
～10
18 cm-3
。
6.优选地，步骤（2）中所述的外延n型重掺杂的sic，其厚度为1μm ～ 10μm, 掺杂浓度为10
19
～10
20 cm-3
。
7.优选地，步骤（3）中所述的三角形凹槽，深度大于n型和p型外延层之和，三角形的角度为30o～120 o
。
8.优选地，步骤（4）中所述的氧化物介质层为金属氧化物，如al2o3、sio2或zro；厚度为10 nm ~100 nm。
9.优选地，步骤（5）中所述的贵金属纳米颗粒为rh、pd、pt、ir中的一种；所述贵金属纳米颗粒尺寸大小为5 nm ~100 nm。
10.本发明还包括由上述方法制得的耐高温高灵敏度气体传感器。
11.本发明中，碳化硅（sic）作为第三代宽禁带半导体材料，具有宽禁带、高饱和漂移速度、高临界击穿电场以及耐高温和抗辐射等特性，是制备高温、高频、大功率电子器件的最佳材料之一，在高温气体探测方面也具有独特优势。本发明利用sic mos器件结构具有探测信号放大的特点，在栅极构筑凹槽结构形式，与平面结构相比可以明显增加气体吸附面积，同时缩小探测器尺寸。此外，在栅极上制备贵金属纳米颗粒催化剂，可进一步提高气体
吸附比表面积来增强气体探测的灵敏度，以此实现耐高温高灵敏度气体传感器。
附图说明
12.图1 为本发明耐高温高灵敏度气体传感器结构图示。
13.图2为本发明的制备工艺流程图。
14.图中标号：1为n型重掺杂sic衬底，2为外延p型sic， 3为外延n型重掺杂的sic ，4为氧化物介质层，5为贵金属纳米颗粒。
具体实施方式
15.下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.实施例1，一种耐高温高灵敏度气体传感器，器件的剖面如图1所示，它由n型重掺杂sic衬底1，外延p型sic 2，外延n型重掺杂的sic 3，氧化物介质层4，贵金属纳米颗粒5所组成。
17.具体制备工艺流程如图2所示，包括：（1）取样n型重掺杂sic衬底1，掺杂浓度为10
19
～10
20 cm-3
，经3:1的h2so4和h2o2混合溶液超声清洗5～10分钟，然后去离子水超声清洗3～5分钟，最后氮气吹干；（2）采用化学气相沉积法（cvd）在sic衬底1上外延生长p型sic材料2，生长厚度为2μm，反应气体为高纯度（》99.999%）sih4和ch4，掺杂气体为b2h6，生长温度为1500 o
c～1700 o
c，气体流量控制在100～300 ml/min，生长时间2～5小时；（3）在p型sic材料2外延生长重掺杂n型sic 3，生长厚度为5μm，生长条件同上，掺杂气体为n2；（4）利用光刻技术和反应离子刻蚀工艺制备宽为1μm，深度为8μm，夹角为60度的三角形凹槽；刻蚀气体为sf6，刻蚀功率50 ～ 200w，刻蚀气压10～50 pa，气体流量为50 ml/min～200 ml/min，刻蚀时间20～60分钟；（5）在三角形凹槽上，利用原子层淀积技术（ald）淀积20 nm厚的al2o3介质层4，生长温度200oc～400 o
c，生长时间60～120分钟，气源为三甲基铝（trinethyluminium,tma）和去离子水；（6）在al2o3介质层4上旋涂一层聚苯乙烯微球材料，聚苯乙烯微球尺寸为50 nm；首先将聚苯乙烯微球分散于丙烯酸中，然后利用旋涂仪将含有聚苯乙烯微球的溶液旋涂在al2o3介质层4上，旋涂仪的转速控制在1000 ～4000rpm，聚苯乙烯微球通过自组装的方式在al2o3介质层4上形成一层具有密堆结构的二维排布；（7）以二维聚苯乙烯微球为掩膜，利用溅射方式淀积20 nm厚的贵重金属pd层，高纯（》99.9%）pd金属作为溅射靶材，溅射的本底真空度10-5 ～ 10-7 pa，溅射气体ar 的工作气压为0.1～10 pa，溅射功率为20～100 w，溅射时间30～60分钟；（8）用hcl溶液去除二维聚苯乙烯微球，则在al2o3介质层上留下贵重金属pd，然后200oc～400 o
c温度下退火，由于表面张力作用，pd金属再高温下会形成球状纳米颗粒5。
18.最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。


技术特征：
1.一种耐高温高灵敏度气体传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下（1）在n型重掺杂的sic衬底上外延一层p型sic；（2）在p型sic上再外延生长一层n型重掺杂的sic，形成npn三明治结构；（3）在npn三明治结构上形成一个三角形凹槽；（4）在三角凹槽中淀积一层氧化物介质材料；（5）在氧化物介质材料上淀积一层贵重金属纳米颗粒。2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1）中所述的n型重掺杂的sic衬底，其厚度为200μm～ 500μm，掺杂浓度为10
19
～10
20 cm-3
；所述的外延p型sic，其厚度为1μm ～ 10μm，掺杂浓度为10
16
～10
18 cm-3
。3. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的外延n型重掺杂的sic，其厚度为1μm ～ 10μm, 掺杂浓度为10
19
～10
20 cm-3
。4. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述的三角形凹槽，深度大于n型和p型外延层之和，三角形的角度为30
o
～120 o
。5. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述的氧化物介质层为金属氧化物，选自al2o3、sio2或zro；厚度为10 nm ~100 nm。6. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）中所述的贵金属纳米颗粒为rh、pd、pt、ir中的一种；所述贵金属纳米颗粒尺寸大小为5 nm ~100 nm。7.一种由权利要求1-6之一所述制备方法得到的耐高温高灵敏度气体传感器。

技术总结
本发明属于气体传感技术领域，具体为一种耐高温高灵敏度气体传感器及其制备方法。本发明包括：在n型重掺杂的SiC衬底上外延一层p型SiC；在p型SiC上再外延生长一层n型重掺杂的SiC，形成npn三明治结构；在三明治结构上形成一个三角形凹槽；在凹槽中淀积一层氧化物介质材料；在氧化物介质材料上淀积一层贵重金属纳米颗粒。本发明利用SiC材料耐高温的特点以及贵重金属纳米颗粒比表面积高的优点，实现高温高灵敏度气体传感探测。高灵敏度气体传感探测。高灵敏度气体传感探测。


技术研发人员：仇志军 杨强强 贺瑞坡
受保护的技术使用者：有云信息科技（苏州）有限公司
技术研发日：2022.02.28
技术公布日：2022/6/21