金属－绝缘层－碳化硅MISiC高温气体传感器

摘要

金属－绝缘层－碳化硅MISiC高温气体传感器，属电子器件领域，涉及一种高温气体传感器，旨在解决绝缘层及其界面质量问题，从而提高MISiC气体传感器的高温可靠性，使其符合高温下长期稳定工作之要求。本发明在碳化硅(SiC)基片上一面生长一层SiO

说明书

技术领域

本发明属电子器件领域，涉及一种高温气体传感器。

背景技术

金属-绝缘层-碳化硅MISiC高温气体传感器是气体传感器的一种，能直接探测氢(H₂)、碳氢(C_xH_y)等含氢化合物以及间接探测氮氧(NO_x)等多种化合物气体；响应速度快，高温下(＞300℃)的响应时间为毫秒级；工作温度从室温到800℃高温，高温下无需冷却系统。在航空航天、核能仪器、人造卫星、太空探测和地热勘探，以及汽车电子学、自动化、雷达与通讯等领域有着广泛的应用前景。然而，目前已有的MISiC高温气体传感器的绝缘层采用臭氧工艺制备，结构见图1：碳化硅(SiC)基片上生长一层SiO₂绝缘层，其上制备缓冲层氧化硅钽，缓冲层上制备铂电极(栅电极)，SiC基片下方制备硅钽缓冲层，缓冲层外制备背电极；其界面质量不是十分理想，导致器件高温可靠性较差，即传感器在高温下工作一段时间后，响应特性退化，甚至完全失效。

发明内容

本发明旨在解决绝缘层及其界面质量问题，从而提高MISiC气体传感器的高温可靠性，使其符合高温下长期稳定工作之要求。

本发明金属-绝缘层-碳化硅MISiC高温气体传感器，在碳化硅(SiC)基片上一面生长一层绝缘层，其上制备缓冲层，缓冲层上制备栅电极，SiC基片另一面制备硅钽缓冲层，硅钽缓冲层外制备背电极，其特征在于所述绝缘层为SiO_xN_y，所述缓冲层为Ta_kSi_lO_mN_n；其中X＝0.6~0.8、Y＝0.2~0.4、K＝0.65~0.85、L＝0.1~0.15、M＝0.02~0.15、N＝0.02~0.15。

所述的金属-绝缘层-碳化硅MISiC高温气体传感器，所述SiO_xN_y绝缘层厚度可以为1~4nm；所述Ta_kSi_lO_mN_n缓冲层厚度可以为2~10nm。

本发明MISiC高温气体传感器的工作原理是：含氢的分子在催化金属Pt(或Pd)表面分解产生氢原子，一部分氢原子扩散通过金属膜，到达金属与绝缘层界面处。由于界面电荷的吸引，氢原子在金属-绝缘层(~1nm)界面处形成一偶极层。这个偶极层将改变催化金属的功函数，从而使肖特基二极管SBD的势垒高度降低，I-V特性沿电压轴负向漂移。在恒定电流下，通过检测电压的漂移(ΔV)，进行相应换算即可得到气体中的氢浓度，如图2所示。图3所示为典型的MISiC肖特基气体传感器在空气和800ppm浓度氢气中的电流电压(I-V)特性。

本发明采用一氧化氮(NO)低温快速热氧化技术制备MISiC高温气体传感器的SiO_xN_y超薄绝缘层，同时采用新型Ta_kSi_lO_mN_n缓冲层结构，由于绝缘层-SiC界面处以及缓冲层中氮的结合，增加了界面扩散势垒高度，可有效阻止层间互扩散效应，从而减小失效几率，提高器件的高温可靠性。此外，缓冲层的使用可大大增强金属与绝缘层的粘附性。

本发明高温可靠性好，灵敏度高，响应快，制备工艺简单，一致性好，易于批量生产。

附图说明

图1现有MISiC高温气体传感器剖面图

图2本发明MISiC高温气体传感器剖面图

图3典型的MISiC肖特基气体传感器I-V特性

温度为500℃，氢气用N₂稀释携带，浓度为800ppm。

图4响应灵敏度随氢气浓度变化曲线 $>>(>S>=>>>>I>>H>2>>>->>I>air>>>>I>air>\; >)>$>

图5高温可靠性实验曲线——ΔI随时间的变化

具体实施方式

本发明采用美国Cree公司生产的n型6H-SiC外延片，其衬底掺杂浓度为1~9×10¹⁸cm^-3，外延层厚度为5μm，掺杂浓度为4×10¹⁵cm^-3。具体工艺步骤如下：

(1)SiC基片采用标准的RCA工艺清洗，接着基片放入5％的HF溶液中浸蚀以去除自然氧化层。SiC基片于800-900℃氮气氛中推入氧化炉恒温区，并立即通入高纯NO气体(流量0.25-0.5 l/min)氧化5-10分钟；接着在氩气氛中原位退火10分钟，消除应力和缺陷，并使薄膜致密。最后在氮保护气氛中分3步拉出基片(每步间隔2-3分钟)，由此形成厚为1～4nm的SiO_0.6N_0.4或SiO_0.8N_0.2。

(2)采用直流磁控溅射法，利用不锈钢掩膜板于绝缘层上制备Ta_kSi_lO_mN_n缓冲层和Pt栅电极(直径0.3-0.5mm)。Ta_kSi_lO_mN_n层可以是Ta_0.8Si_0.1O_0.05N_0.05、Ta_0.85Si_0.1O_0.03N_0.02、Ta_0.7Si_0.15O_0.1N_0.05、Ta_0.7Si_0.1O_0.1N_0.1、Ta_0.65Si_0.15O_0.1N_0.1中之一，厚为10nm，Pt层厚为150nm。溅射过程中，靶电极通过水冷，基片温度为350℃。

(3)用与(2)相同的方法和条件，在SiC衬底面制备Ta_oSi_p缓冲层和Pt背接触电极(无需掩膜板)，Ta_oSi_p：O＝0.8~0.9，P＝0.1~0.2厚度100-200nm，Pt：200-400nm。

(4)激活处理，在550~650℃，氮稀释H₂/氧交替脉冲环境里退火上述晶片30-60分钟，以活化电极，提高探测灵敏度，同时稳定界面，增强高温可靠性。

(5)极焊接和引线：将SiC晶片切割成单个管芯，芯片背电极用耐高温的陶瓷导电胶粘于铜基座上，由相应管腿引出；栅电极采用超声热压焊或高温键合方法用Pt丝焊接引出。

附图4所示为本发明MISiC高温气体传感器在300℃和2V恒压下响应灵敏度随氢气浓度变化曲线；附图5所示为本发明传感器在600℃高温和2V恒压下连续工作60小时记录的电流漂移ΔI随时间的变化。传感器特性曲线显示，引入超薄氮化氧化绝缘层后，MISiC高温气体传感器的响应灵敏度和高温可靠性得到了明显改善。同时本发明为肖特基二极管结构，其正向压降低，功耗小，开关速度快。