CN103956427B - 感测元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种感测元件，其包括半导体层、第一电极与第二电极、第一侦测电极与第二侦测电极以及至少一导电图案。第一电极与第二电极设置在半导体层的相对向的两端。第一侦测电极与第二侦测电极设置在半导体层的相对向的另外两端，其中第一侦测电极以及该第二侦测电极之间具有一虚拟连线。至少一导电图案设置在半导体层上，其中导电图案与虚拟连线不重叠。
Description
技术领域
本发明涉及一种感测元件，且特别是涉及一种改善霍尔效应的磁场感测元件。
背景技术
霍尔效应(Hall Effect)是最广泛被使用来侦测磁场等物理量的感测方法。当电流水平流经一置于垂直磁场作用下的元件时，在与电流方向与磁场方向垂直的元件两端会产生一电压差，且此电压差的大小与磁场呈正比，此现象即为霍尔效应。效应中因磁场所生的电压差称为霍尔电压(Hall Voltage)。除了感测磁场之外，霍尔效应还可应用于近接感知器、计数器、转速器、电流感知等。
霍尔电压与磁阻(magnetoresistance,MR)可说是霍尔效应中的一体两面。霍尔元件在磁场的作用下，电流的路径受磁场作用而偏移增加，进而造成其电阻值也随磁场强度而改变，故称为磁阻。现有的磁阻元件结构形成近似串联的结构，以有效提高磁阻对磁场的变化量。在低磁场环境下，由于金属与半导体在导电率上的差异，电流会集中流经金属图案而使阻值小。但在强磁场作用下，电流受劳伦兹力作用会使金属图案内的电流减少，造成流经半导体区的电流增加，因此使整体的阻值增加。
一般而言，磁阻元件对磁场的感度大于霍尔元件对磁场的感度。然而，磁阻元件却无法有效地辨识磁场的方向，因此其应用局限于近接感知、计数器、转速器等。相反地，霍尔元件虽可正确感测磁场方向与大小，但其感测的数值量级有限，并随着元件尺寸的缩小而使感测数值量级更小，需额外配合放大电路等元件来提高信号强度，但这又可能同时放大噪声而面临信噪比(SN Ratio)的问题。为了同时满足元件小型化并维持其磁感度，往往需抉择于磁阻元件与霍尔元件之间。现有的霍尔元件或磁阻元件均由半导体材料组成，其效能依存于载流子迁移率，而载流子迁移率又依存于温度，因此，现有的霍尔元件或磁阻元件对温度的依存度高。有鉴于此，亟需一种兼具对磁场方向的感知能力以及对磁场强度的高感度，且其磁感特性的温度依存度较小的感测元件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种感测元件，兼具对磁场方向的感知能力以及对磁场强度的高感度，且此感测元件的磁感特性的温度依存度较小。
为达上述目的，本发明的感测元件，其包括半导体层、第一电极与第二电极、第一侦测电极与第二侦测电极以及至少一导电图案。第一电极与第二电极设置在半导体层的相对向的两端。第一侦测电极与第二侦测电极设置在半导体层的相对向的另外两端，其中第一侦测电极以及第二侦测电极之间具有虚拟连线。至少一导电图案设置在半导体层上，其中导电图案与虚拟连线不重叠。
基于上述，在本发明的感测元件中，通过将导电图案设置在半导体层中而可提供一金属与半导体混合的作用层，相较于仅由半导体组成的感测元件而言，本发明的感测元件的磁感特性的温度依存度较小。此外，通过导电图案的不同形状与相对于半导体层的不同分布密度，本发明的感测元件可兼具对磁场方向的感知能力以及对磁场强度的高感度。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明的一实施例的感测元件的上视图；
图2是图1的感测元件沿剖面线A-A’的局部剖视图；
图3是图1的感测元件沿剖面线A-A’的另一局部剖视图；
图4是图1的感测元件沿剖面线A-A’的又另一局部剖视图；
图5是图1的感测元件沿剖面线A-A’的再另一局部剖视图；
图6是依照本发明的另一实施例的感测元件的上视图；
图7是依照本发明的另一实施例的感测元件的上视图；
图8是依照本发明的又另一实施例的感测元件的上视图；
图9是依照本发明的再另一实施例的感测元件的上视图；
图10是依照本发明的另一实施例的感测元件的上视图；
图11是依照本发明的又另一实施例的感测元件的上视图；
图12是依照本发明的再另一实施例的感测元件的上视图；
图13是依照本发明的又再另一实施例的感测元件的上视图；
图14是依照本发明的更另一实施例的感测元件的上视图；
图15是依照一比较例的感测元件的上视图；
图16是依照另一比较例的感测元件的上视图；
图17是依照本发明一些实施例的感测元件与比较例的感测元件的磁阻变化率随磁场变化的特性曲线图；
图18是依照本发明一些实施例的感测元件与比较例的感测元件的霍尔电压随磁场变化的特性曲线图；
图19是依照本发明另一些实施例的感测元件与比较例的感测元件的磁阻变化率随磁场变化的特性曲线图；
图20是依照本发明另一些实施例的感测元件与比较例的感测元件的霍尔电压随磁场变化的特性曲线图。
符号说明
10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、Q1、Q2：感测元件
110：基板
200、200a、200b、200c：半导体层
220：开口
300：绝缘层
320：第一开口
340a、340b：接触开口
400、400a、400b、400c、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400：导电图案
a、a’、b、b’、c、c’、d、d’、e、e’、f、f’、g、g’、h、h’、i、i’：特性曲线
A-A’：剖面线
E1、E2：电极
Ed1、Ed2：侦测电极
L：虚拟连线
V1、V2、Vd1、Vd2：电压
X、Y：方向
具体实施方式
图1是依照本发明的一实施例的感测元件的上视图。图2是图1的感测元件沿剖面线A-A’的局部剖视图。请同时参照图1与图2，在本实施例中，感测元件10包括基板110、半导体层200、第一电极E1与第二电极E2、第一侦测电极Ed1与第二侦测电极Ed2以及至少一导电图案400。根据一实施例，感测元件10还包括绝缘层300。为方便说明，图1省略绘示绝缘层300。
基板110可为任何绝缘材料，其例如是玻璃或具有绝缘层的硅基板等。
半导体层200位于基板110上，其可由一般半导体所构成，例如为InSb、InAs、GaAs、AlInSb、AlInAs、Si、InGaZnO或是其他合适的半导体材料。半导体层200具有开口220，以暴露出基板110。
绝缘层300设置于半导体层200上。绝缘层300可为Si3N4、Al2O3或是其他合适的半导体材料。绝缘层300具有第一开口320以及接触开口340a、340b。第一开口320暴露出半导体层200的开口220，而接触开口340a、340b暴露出半导体层200。
第一电极E1与第二电极E2设置在半导体层200上，且设置在半导体层200的相对向的两端。具体而言，第一电极E1与第二电极E2在X方向上相对。第一电极E1与第二电极E2的材质包括金属或是其他合适的电极材料。第一电极E1与第二电极E2则分别通过接触开口340a与半导体层200接触。于对感测元件10进行操作时，第一电极E1与第二电极E2分别被施予电压V1与V2。
在本实施例中，第一侦测电极Ed1与第二侦测电极Ed2设置在半导体层200上且位于半导体层200的相对向的另外两端。具体而言，第一侦测电极Ed1与第二侦测电极Ed2在Y方向上相对。第一侦测电极Ed1与第二侦测电极Ed2的材质包括金属或是其他合适的电极材料，其可以与第一电极E1与第二电极E2的材料相同或是不相同。第一侦测电极Ed1与第二侦测电极Ed2分别通过对应的接触开口340b与半导体层200接触。当于对感测元件10进行操作时，第一侦测电极Ed1与第二侦测电极Ed2分别电连接至电压Vd1与Vd2。如图1所示，虚拟连线L穿过第一侦测电极Ed1与第二侦测电极Ed2，且第一电极E1与第二电极E2相对于虚拟连线L彼此对称设置。值得一提的是，通过将第一侦测电极Ed1与第二侦测电极Ed2设置于中心位置，可使感测元件10的霍尔电压较大且相对稳定，然而本发明不限于此。
导电图案400设置于半导体层200上。导电图案400的材质为非磁性导电材料，其包括例如Au、Cu、Ag、Ti、Al、Mo或其合金等金属。或者，导电图案400也可由兼具半导体与金属特性的纳米碳材所构成，其例如为纳米碳管、石墨烯(graphene)等，但本发明不限于此。导电图案400的材料可以与第一电极E1与第二电极E2以及第一侦测电极Ed1与第二侦测电极Ed2相同或是不相同。导电图案400通过绝缘层300的第一开口320填入半导体层200的开口220中，以与半导体层200接触。换言之，导电图案400嵌入(embedded in)半导体层200中。
值得一提的是，导电图案400所设置的位置与第一侦测电极Ed1与第二侦测电极Ed2之间的虚拟连线L不重叠。在本实施例中，导电图案400为单一圆形形状，但本发明不限于此，导电图案400也可以为多个任意形状，其例如为矩形、椭圆形、正方形等。
在本实施例中，导电图案400是嵌入半导体层200中。然而本发明不限于此，在其他的实施例中，导电图案400还可以以其他方式设置。以下分别以图3至图5来说明导电图案400的设置方式。
图3是图1的感测元件沿剖面线A-A’的另一局部剖视图。图3的实施例与图2的实施例相似，因此相同的元件以相同的符号表示，且不再重复说明。如图3所示，半导体层200a可不具有开口。同样地，覆盖于半导体层200a上的绝缘层300可具有第一开口320以及接触开口340a。第一开口320与接触开口340a都暴露出半导体层200a。导电图案400a填入绝缘层300的第一开口中，以与半导体层200接触。换言之，导电图案400a堆叠于半导体层200a上。请同时参照图1与图3，第一侦测电极Ed1与第二侦测电极Ed2、第一电极E1与第二电极E2分别通过接触开口340b、340a与半导体层200a接触。
图4是图1的感测元件沿剖面线A-A’的又另一局部剖视图。如图4所示，半导体层200b可不具有开口，且同样地，覆盖于半导体层200b上的绝缘层300可具有第一开口320以及接触开口340a。第一开口320与接触开口340a都暴露出半导体层200b。特别的是，在导电图案400b是金属的情况下，可通过退火(anneal)处理，使导电图案400b的金属离子通过绝缘层300的第一开口320扩散入半导体层200b中。换言之，可使导电图案400b掺杂于(dopedinto)半导体层200b中。请同时参照图1与图4，第一侦测电极Ed1与第二侦测电极Ed2、第一电极E1与第二电极E2分别通过接触开口340b、340a与半导体层200a接触。
图5是图1的感测元件沿剖面线A-A’的再另一局部剖视图。如图5所示，导电图案400c更可直接位于基板110上，而半导体层200c可覆盖于导电图案400c上。绝缘层300a覆盖于半导体层200c上，特别的是，绝缘层300a可仅具有接触开口340a。请同时参照图1与图5，第一侦测电极Ed1与第二侦测电极Ed2、第一电极E1与第二电极E2分别通过接触开口340b、340a与半导体层200c接触。
图6是依照本发明的另一实施例的感测元件20的上视图。请参照图6，图6的实施例与图1的实施例相似，因此相同或相似的元件以相同或相似的元件符号标示，且不再重复说明。图6的感测元件20与图1的感测元件10的差异在于，图6的感测元件20包括多个导电图案500。在本实施例中，导电图案500是由多个面积相同的圆形图案所构成，然而本发明不限于此，导电图案500也可由多个面积不相同的圆形图案所构成。多个导电图案500的总面积可以与导电图案400的面积相同，然而本发明不限于此。此外，如图6所示，导电图案500排列成矩阵状而均匀分布于第一侦测电极Ed1与第二侦测电极Ed2以及第一电极E1与第二电极E2之间。同样地，导电图案500不与虚拟连线L重叠。
图7是依照本发明的另一实施例的感测元件30的上视图。请参照图7，图7的实施例与图1的实施例相似，因此相同或相似的元件以相同或相似的元件符号标示，且不再重复说明。图7的感测元件30与图1的感测元件10的差异在于，感测元件30包括多个导电图案600。多个导电图案600的总面积可以与导电图案400的面积相同，然而本发明不限于此。此外，导电图案600的数目例如是与导电图案500的数目相同。特别的是，图7的导电图案600是以虚拟连线L为对称轴，且导电图案600的分布密度往第一电极E1与第二电极E2的方向逐渐增加而呈金字塔状排列。换言之，导电图案600的单位面积密度从虚拟连线L往第一电极E1与第二电极E2逐渐增加。同样地，导电图案600不与虚拟连线L重叠。在本实施例中，导电图案600是由多个面积相同的圆形图案所构成，然而本发明不限于此，以下以图8的实施例来作说明。
图8是依照本发明的又另一实施例的感测元件40的上视图。请参照图8，图8的实施例与图1的实施例相似，因此相同或相似的元件以相同或相似的元件符号标示，且不再重复说明。图8的感测元件40与图1的感测元件10的差异在于，感测元件40包括多个导电图案700。多个导电图案700的总面积可以与导电图案400的面积相同，然而本发明不限于此。同样地，导电图案700不与虚拟连线L重叠。此外，导电图案700的数目例如是与导电图案500的数目相同。与图7的导电图案600类似，图8的导电图案700是以虚拟连线L为对称轴，且导电图案700的分布密度往第一电极E1与第二电极E2的方向逐渐增加而呈金字塔状排列。值得一提的是，导电图案700是由多个面积不相同的圆形图案所构成，且导电图案700的面积由虚拟连线L往第一电极E1与第二电极E2的方向逐渐增加。换言之，导电图案700的单位面积密度从虚拟连线L往第一电极E1与第二电极E2逐渐增加。
图9是依照本发明的再另一实施例的感测元件50的上视图。请参照图9，图9的实施例与图1的实施例相似，因此相同或相似的元件以相同或相似的元件符号标示，且不再重复说明。图9的感测元件50与图1的感测元件10的差异在于，图9的感测元件50包括多个导电图案800。在本实施例中，导电图案800是由多个面积相同的圆形图案所构成，然而本发明不限于此。多个导电图案800的总面积可以与导电图案400的面积相同，然而本发明不限于此。此外，导电图案800的数目例如是与导电图案500的数目相同。特别的是，图9的导电图案800是以虚拟连线L为对称轴，其分布密度往第一电极E1与第二电极E2的方向逐渐增加且呈不规则状排列。换言之，导电图案800的单位面积密度从虚拟连线L往第一电极E1与第二电极E2逐渐增加。同样地，导电图案800不与虚拟连线L重叠。
接着，请同时参照图10至图12，图10是依照本发明的另一实施例的感测元件60的上视图。图11是依照本发明的又另一实施例的感测元件70的上视图。图12是依照本发明的再另一实施例的感测元件80的上视图。图10至图12的实施例与图1的实施例相似，因此相同或相似的元件以相同或相似的元件符号标示，且不再重复说明。图10至图12的感测元件60、70、80与图1的感测元件10的差异在于，图10至图12的感测元件60、70、80分别包括多个导电图案900、1000、1100，且导电图案900、1000、1100是由多个面积相同的长条矩形图案所构成，然而本发明不限于此。值得一提的是，导电图案900、1000、1100都分别平行且对称于虚拟连线L呈等间隔排列状。图10至图12的实施例之间的差异在于导电图案的分布密度。具体而言，导电图案900的分布密度最小，而导电图案1100的分布密度最大。同样地，导电图案900、1000、1100都不与虚拟连线L重叠。
再来，请参照图13，图13是依照本发明的又再另一实施例的感测元件90的上视图。图13的实施例与图1的实施例相似，因此相同或相似的元件以相同或相似的元件符号标示，且不再重复说明。图13的感测元件90与图1的感测元件10的差异在于，图13的感测元件90包括多个导电图案1200。在本实施例中，导电图案1200是由多个面积相同的长条矩形图案所构成，然而本发明不限于此。特别地，导电图案1200为平行且对称于虚拟连线L呈非等间隔排列状。更具体而言，导电图案1200的单位面积密度是由虚拟连线L往第一电极E1与第二电极E2逐渐增加。同样地，导电图案1100不与虚拟连线L重叠。
最后，请参照图14，图14是依照本发明的更另一实施例的感测元件100的上视图。图14的实施例与图1的实施例相似，因此相同或相似的元件以相同或相似的元件符号标示，且不再重复说明。图14的感测元件100与图1的感测元件10的差异在于，图14的感测元件100包括多个导电图案1300。特别地，导电图案1300是由多个面积不同的长条矩形图案所构成，且导电图案1300的面积以虚拟连线L为对称轴而往第一电极E1与第二电极E2的方向逐渐增加。换言之，导电图案1300的单位面积密度从虚拟连线L往第一电极E1与第二电极E2逐渐增加。同样地，导电图案1300不与虚拟连线L重叠。
以下将分别量测本发明上述实施例的感测元件的磁阻效应(magnetoresistance,MR)以及霍尔电压(Hall voltage)，并与比较例的感测元件Q1、Q2(参照图15、图16)作比较，来验证本发明的感测元件对磁场方向的感知能力以及其磁感度。
图15是依照一比较例的感测元件Q1的上视图。图16是依照另一比较例的感测元件Q2的上视图。请参照图15、图16，图15、图16的比较例与图1的实施例相似，因此相同或相似的元件以相同或相似的元件符号标示，且不再重复说明。如图15所示，在比较例的感测元件Q1中，其半导体层200未设置有导电图案。接着，参照图16，另一比较例的感测元件Q2的导电图案1400为与导电图案400(请再参照图1)相同面积的一圆形图案，唯一不同在于导电图案1400与虚拟连线L重叠。
图17是依照本发明一些实施例的感测元件与比较例的感测元件的磁阻变化率随磁场变化的特性曲线图。请参照图17。纵轴表示磁阻变化率(magnetoresistance ratio,MRratio)(％)，横轴表示垂直通过元件的磁场强度(以下均以磁场(Bz)表示)(T)。特性曲线a、b分别是不同比较例的感测元件Q1、Q2(参照图15、图16)的结果。特性曲线c、d、e分别为本发明不同实施例的感测元件10、30、20(请分别再参照图1、图7、图6)的结果。磁阻变化率愈高，表示感测元件对磁场变化的感测愈灵敏。如图17所示，当磁场为2T时，完全由半导体组成的感测元件Q1(特性曲线a)的磁阻变化率为0.90％，而具有导电图案的感测元件(特性曲线b、c、d、e)的磁阻变化率都大于0.90％，其分别为2.09％、1.98％、2.45％以及3.19％。此外，由结果可知，相较于一个大面积的导电图案，多个小面积的导电图案可使感测元件的磁阻效应更为提升，其中又以导电图案为规则矩阵状排列的感测元件20的磁阻变化率最大，其磁阻变化率约为完全由半导体组成的感测元件Q1的磁阻变化率的3.5倍。
图18是依照本发明一些实施例的感测元件与比较例的感测元件的霍尔电压随磁场变化的特性曲线图。请参照图18，纵轴表示霍尔电压(V)，横轴表示磁场(Bz)(T)。同样地，特性曲线a’、b’分别是不同比较例的感测元件Q1、Q2(参照图15、图16)的结果。特性曲线c’、d’、e’分别为本发明不同实施例的感测元件10、30、20(请分别再参照图1、图7、图6)的结果。霍尔电压愈高，表示感测元件对磁场方向的感知能力愈好。如图18所示，当磁场为2T时，完全由半导体组成的感测元件Q1(特性曲线a’)的霍尔电压为1.28V，而具有导电图案的感测元件(特性曲线b’、c’、d’、e’)的霍尔电压分别为0.06V、0.83V、1.55V以及0.95V。由上述结果可知，具有导电图案的感测元件的霍尔电压大部分都小于完全由半导体组成的感测元件Q1的霍尔电压。导电图案与虚拟连线L重叠(特性曲线b’)的感测元件Q2的霍尔电压最小，其是因为虚拟连线L穿过由金属所构成的导电图案，从而使得由磁场引致第一侦测电极Ed1与第二侦测电极Ed2之间的霍尔电压分布受到导电图案内等压化的影响，进而造成霍尔电压损失较多。与磁阻变化率相似，多个小面积的导电图案也可改善感测元件的霍尔电压。值得一提的是，导电图案呈金字塔状排列的感测元件30的霍尔电压甚至超过完全由半导体组成的感测元件Q1的霍尔电压，此结果说明可通过适当的导电图案分布来提升霍尔电压，进而增加感测元件对磁场方向的感知能力。
图19是依照本发明另一些实施例的感测元件与比较例的感测元件的磁阻变化率随磁场变化的特性曲线图。请参照图18，纵轴表示磁阻变化率(MR ratio)(％)，横轴表示磁场(Bz)(T)。特性曲线a是比较例的感测元件Q1(参照图15)的结果。特性曲线f、g、h、i分别为本发明不同实施例的感测元件60、70、80、100(请分别再参照图10、图11、图12、图14)的结果。同样地，磁阻变化率愈高，表示感测元件对磁场变化的感测愈灵敏。如图19所示，当磁场为2T时，完全由半导体组成的感测元件Q1(特性曲线a)的磁阻变化率为0.90％，而具有导电图案的感测元件(特性曲线f、g、h、i)的磁阻变化率都大于0.90％，其分别为2.35％、3.86％、4.73％以及5.03％。由上述结果可知，通过以长条矩形金属所构成的导电图案将半导体层切割成多个区域，可使感测元件的磁阻效应提升。此外，随着导电图案密度的增加，也可更为提升感测元件的磁阻变化率。具体而言，导电图案的单位面积密度最大的感测元件100(特性曲线i)的磁阻变化率最大，其约为完全由半导体组成的感测元件Q1的磁阻变化率的5.6倍。
图20是依照本发明另一些实施例的感测元件与比较例的感测元件的霍尔电压随磁场变化的特性曲线图。请参照图20。纵轴表示霍尔电压(V)，横轴表示磁场(Bz)(T)。同样地，特性曲线a’是比较例的感测元件Q1(参照图15)的结果。特性曲线f’、g’、h’、i’分别为本发明不同实施例的感测元件60、70、80、100(请分别再参照图10、图11、图12、图14)的结果。同样地，霍尔电压愈高，表示感测元件对磁场方向的感知能力愈好。如图20所示，当磁场为2T时，完全由半导体组成的感测元件Q1(特性曲线a’)的霍尔电压为1.28V，而具有导电图案的感测元件(特性曲线f’、g’、h’、i’)的霍尔电压分别为1.03V、0.73V、0.55V以及1.63V。由上述结果可知，当由金属所构成的导电图案为等间隔分布于半导体层时，导电图案会使其图案内的电压等位化，从而造成霍尔电压下降，并且，霍尔电压可随着构成导电图案的长条金属图案的密度增加而降低。因此，上述感测元件60、70、80的霍尔电压小于完全由半导体组成的感测元件Q1的霍尔电压。较特别的是，由多个面积不同的长条矩形金属所构成且其面积以虚拟连线L为对称轴而往第一电极E1与第二电极E2的方向逐渐增加的感测元件100的霍尔电压超过完全由半导体组成的感测元件Q1的霍尔电压，此结果说明可通过适当的导电图案分布来提升霍尔电压，进而增加感测元件对磁场方向的感知能力。
应注意，一般而言，感测元件的霍尔电压特性与磁阻特性互为消长，因此，除了如图14所示等特别的导电图案分布之外，要使感测元件同时兼具高霍尔电压特性与高磁阻特性，实属不易。然而，相对于霍尔电压而言，磁阻对磁场变化的感度通常较大。因此，只要使感测元件的霍尔电压足以使感测元件判定磁场的方向，在感测元件的设计上，本发明着重于以实现最佳磁阻特性的表现为主要考量。基于上述考量，当磁场为2T时，根据本发明的优选实施例的感测元件90(请再参照图13)的磁阻变化率可达5.88％，而其霍尔电压为0.66V，感测元件90可同时兼具对磁场方向的感知能力以及对磁场强度的高感度。
综上所述，在本发明的感测元件中，通过将导电图案设置于半导体层上而可提供金属与半导体混合的作用层，因此，相较于仅由半导体组成的感测元件而言，本发明的感测元件的磁感特性的温度依存度较小。此外，通过导电图案的不同形状与不同分布密度，本发明的感测元件可兼具对磁场方向的感知能力以及对磁场强度的高感度。
虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。
Claims (11)
1.一种感测元件，包括：
半导体层；
第一电极以及一第二电极，设置在该半导体层的相对向的两端；
第一侦测电极以及一第二侦测电极，设置在该半导体层的相对向的另外两端，其中该第一侦测电极以及该第二侦测电极之间具有一虚拟连线；以及
至少一导电图案，设置在该半导体层上，其中该导电图案与该虚拟连线不重叠，
其中该至少一导电图案为多个导电图案，且该些导电图案的单位面积密度由该虚拟连线往该第一电极以及该第二电极逐渐增加。
2.如权利要求1所述的感测元件，其中该些导电图案的面积都相同。
3.如权利要求1所述的感测元件，其中该些导电图案的面积由该虚拟连线往该第一电极以及该第二电极逐渐增加。
4.如权利要求1所述的感测元件，其中该半导体层具有至少一开口，且该至少一导电图案填入该开口内，以与该半导体层接触。
5.如权利要求4所述的感测元件，还包括一绝缘层，该绝缘层具有至少一第一开口以及多个接触开口，该至少一第一开口暴露出该至少一开口，且该些接触开口暴露出该半导体层，其中该至少一导电图案通过该至少一开口以及该第一开口，以与该半导体层接触，该第一电极、该第二电极、该第一侦测电极以及该第二侦测电极分别通过该些接触开口以与半导体层接触。
6.如权利要求1所述的感测元件，还包括一绝缘层以覆盖该半导体层，该绝缘层具有至少一第一开口以暴露出该半导体层，其中该至少一导电图案填入该第一开口内，以与该半导体层接触。
7.如权利要求6所述的感测元件，其中该绝缘层具有多个接触开口以暴露出该半导体层，且该第一电极、该第二电极、该第一侦测电极以及该第二侦测电极分别通过该些接触开口以与半导体层接触。
8.如权利要求1所述的感测元件，还包括一绝缘层以覆盖该半导体层，该绝缘层具有至少一第一开口以暴露出该半导体层，其中该至少一导电图案通过该第一开口以掺杂于该半导体层中。
9.如权利要求8所述的感测元件，其中该绝缘层具有多个接触开口以暴露出该半导体层，且该第一电极、该第二电极、该第一侦测电极以及该第二侦测电极分别通过该些接触开口以与半导体层接触。
10.如权利要求1所述的感测元件，其中该至少一导电图案位于一基板上，该半导体层覆盖该至少一导电图案。
11.如权利要求10所述的感测元件，还包括一绝缘层以覆盖该半导体层，该绝缘层具有多个接触开口以暴露出该半导体层，且该第一电极、该第二电极、该第一侦测电极以及该第二侦测电极分别通过该些接触开口以与半导体层接触。
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1136714A (zh) * | 1995-03-30 | 1996-11-27 | 株式会社东芝 | 横向型霍尔器件 |
Family Cites Families (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3448353A (en) * | 1966-11-14 | 1969-06-03 | Westinghouse Electric Corp | Mos field effect transistor hall effect devices |
| US3789311A (en) * | 1971-09-13 | 1974-01-29 | Denki Onkyo Co Ltd | Hall effect device |
| US3800193A (en) * | 1972-09-05 | 1974-03-26 | Ibm | Magnetic sensing device |
| US4204132A (en) * | 1976-08-11 | 1980-05-20 | Agency Of Industrial Science & Technology, Ministry Of International Trade & Industry | Highly sensitive Hall element |
| JPS5426369U (zh) * | 1977-07-25 | 1979-02-21 | ||
| JPS5475284A (en) * | 1977-11-29 | 1979-06-15 | Asahi Chemical Ind | Threeeterminal magnetic reluctance effect element |
| US4296424A (en) * | 1978-03-27 | 1981-10-20 | Asahi Kasei Kogyo Kabushiki Kaisha | Compound semiconductor device having a semiconductor-converted conductive region |
| JPS55132066A (en) * | 1979-04-02 | 1980-10-14 | Matsushita Electronics Corp | Hall effect semiconductor integrated circuit |
| JPH0644644B2 (ja) | 1987-09-08 | 1994-06-08 | 住友持殊金属株式会社 | 半導体磁気抵抗素子の製造方法 |
| JP2571296B2 (ja) * | 1990-04-04 | 1997-01-16 | 旭化成工業株式会社 | 高信頼性高感度ＩｎＡｓホール素子 |
| US5208477A (en) * | 1990-12-31 | 1993-05-04 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Resistive gate magnetic field sensor |
| US5543988A (en) * | 1993-04-30 | 1996-08-06 | International Business Machines Corporation | Hall sensor with high spatial resolution in two directions concurrently |
| JPH11340541A (ja) | 1998-05-28 | 1999-12-10 | Nippon Seiki Kk | 半導体磁気抵抗素子及びその製造方法 |
| EP1813954A1 (en) | 1998-08-07 | 2007-08-01 | Asahi Kasei Kabushiki Kaisha | Magnetic sensor and production method thereof |
| JP2005333103A (ja) * | 2004-03-30 | 2005-12-02 | Denso Corp | 縦型ホール素子およびその製造方法 |
| WO2007077865A1 (ja) * | 2005-12-27 | 2007-07-12 | Asahi Kasei Kabushiki Kaisha | ＩｎＳｂ薄膜磁気センサ並びにその製造方法 |
| CN102460199B (zh) * | 2009-06-30 | 2014-01-08 | 旭化成微电子株式会社 | 磁传感器 |
| KR101314365B1 (ko) | 2009-08-26 | 2013-10-04 | 파나소닉 주식회사 | 자계 센서, 이것을 이용한 자계 측정 방법, 전력 계측 장치 및 전력 계측 방법 |
| US9222991B2 (en) * | 2012-06-22 | 2015-12-29 | Infineon Technologies Ag | Vertical hall device comprising a slot in the hall effect region |
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-
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1136714A (zh) * | 1995-03-30 | 1996-11-27 | 株式会社东芝 | 横向型霍尔器件 |
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| Publication number | Publication date |
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| US9590172B2 (en) | 2017-03-07 |
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| US20150280109A1 (en) | 2015-10-01 |
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