专利名称：基于SiC的MOSFET的汽车发动机用氧传感器的制作方法
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。
背景技术：
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^o2氧传感器，它是通过检测排气中的氧浓度提供给电控单元E⑶(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C0、HC、N0x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，这是以固体电解质为基础，掺加2价或3价金属氧化物，如氧化钴CoOj2O3 (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^O2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。另一种氧传感器便是极限电流型，它是在片状^O2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^O2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。利用金属钼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/钼/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02_，产生的02_在Pt/氧敏感材料界面处与氧敏材料晶格中的02_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02_通过YSZ晶体中的空位发生迁移，根据YSZ层单位面积电容Cysz可计算栅极单位面积电容Cx，
权利要求
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钼Pt作为金属电极，在氧气/钼/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02_，产生的02_在 Pt/氧敏感材料界面处与氧敏感材料晶格中的02_进行置换反应，根据氧敏感材料薄膜层单位面积电容Cysz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. 10 μ m 0. 20 μ m。
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 Τ 02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 &二九s +2《-ρ,/C； + W^^^iV^/Cx计算传感器阈值电压VT，其中，Φω3金属(Pt)与半导体(SiC)的功函数之差、ΦΡ_半导体的费米电势、q_电子电量、Na-半导体中受主杂质浓度，Na= 1016cnT3、Qf-单位面积固定的表面态电荷密度、ε C1-真空的介电常数、Cx-栅极单位面积电容、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钼Pt电极，在氧气/钼 /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02_，产生的02_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O2-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. 10 μ m 0. 20 μ m。
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^O2中加入掺杂浓度为Na = IO16CnT3的氧化钇^O3进行固溶。
全文摘要
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。
文档编号F01N11/00GK102169104SQ20101060009
公开日2011年8月31日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者代作海, 冯世娟, 唐政维, 彭能, 徐洋, 李银国, 王巍, 王晓磊, 罗元 申请人:重庆邮电大学