CN104681714A - 基于硅基二极管的新型磁传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于硅基二极管的新型磁传感器及制备方法，其中基于硅基二极管的新型磁传感器的制备方法，包括在60keV加速电压下，在n硅基片的正面注入剂量为1×10¹⁵ atom/cm³的磷离子形成Si n+层，在40keV加速电压下，在n硅基片的反面注入剂量为2×10¹⁴atom/cm³的硼离子形成Si p+层，而n型硅基片Si n+层和Si p+层之间没有注入磷离子和硼离子为Si n层的步骤； 在Si n+层和Si p+层上通过在溅射方法制备Cu极板的步骤。提供一种有效、简单并且具有高灵敏度的而且适合测量任意范围磁场大小的基于硅基二极管的新型磁传感器。

Description

基于硅基二极管的新型磁传感器及制备方法

 

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体地，涉及一种基于硅基二极管的新型磁传感器及制备方法。

背景技术

目前，人类已经步入信息时代，大型工业化、集成化电路的发展对于传感器提出了更高的要求，而磁传感器作为其中一个重要分支，不仅可以用来探测磁场，还可以用来探测方向、位移、压力、间距以及角速度、加速度等。这使得磁传感器越来越多地应用于交通运输、医疗仪器、航空航天、电子通信设备、工业测试设备以及军事国防等诸多领域，受到人们广泛的重视。然而，现有磁传感器的研究，无论在灵敏度还是在磁场的测试范围都存在一定的局限性，并且主要以磁性材料为主，因此现有的半导体工艺的存在灵敏度低和磁场探测范围小的问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于硅基二极管的新型磁传感器及制备方法，以实现提高灵敏度和磁场测量范围的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于硅基二极管的新型磁传感器的制备方法，包括在60 keV加速电压下，在n硅基片的正面注入剂量为1×10¹⁵ atom/cm³的磷离子形成Si n+层，在40 keV加速电压下，在n硅基片的反面注入剂量为2×10¹⁴ atom/cm³的硼离子形成Si p+层，而n型硅基片Si n+层和Si p+层之间没有注入磷离子和硼离子为Si n层的步骤；

以及

在Si n+层和Si p+层上通过在溅射方法制备Cu极板的步骤。

优选的，在n型硅基片注入磷离子和硼离子时，离子浓度分布均匀，所述磷离子和硼离子的注入深度小于1μm。

优选的，所述Cu极板的厚度为50 nm。

同时本发明技术方案公开一种基于硅基二极管的新型磁传感器，包括Cu极板、Si n+层、Si n层和Si p+层，所述Si n+层和Si p+层分别位于Si n层的两侧，所述Cu极板为两个，一个Cu极板位于Si n+层的上侧，另一个Cu极板位于Si p+层的下侧。即该基于硅基二极管的新型磁传感器采用本发明技术方案的制备方法制备。

优选的，所述Si n+层和Si p+层厚度小于1μm。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案，通过在硅基片上注入不同的离子，从而改变硅基片的磁阻变化率，从而达到提高灵敏度和磁场测量范围目的。且得到有效、简单、具有高灵敏度且适合测量任意范围磁场大小的基于硅基二极管的新型磁传感器。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例所述的基于硅基二极管的新型磁传感器的结构示意图；

图2a和图2b为本发明实施例所述的基于硅基二极管的新型磁传感器的工作原理示意图；

图3为本发明实施例所述的基于硅基二极管的新型磁传感器在不同磁场下的电信号的响应曲线图；

图4为本发明实施例所述的基于硅基二极管的新型磁传感器在固定电流情况下电压随磁场方向改变的响应曲线图.

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1- Si n+层；2-Si n层；3-Si p+层；4-Cu极板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于硅基二极管的新型磁传感器的制备方法，包括在60 keV加速电压下，在n硅基片的正面注入剂量为1×10¹⁵ atom/cm³的磷离子形成Si n+层，在40 keV加速电压下，在n硅基片的反面注入剂量为2×10¹⁴ atom/cm³的硼离子形成Si p+层，而n型硅基片Si n+层和Si p+层之间没有注入磷离子和硼离子为Si n层的步骤；

以及

在Si n+层和Si p+层上通过在溅射方法制备Cu极板的步骤。

优选的，在n型硅基片注入磷离子和硼离子时，离子浓度分布均匀，磷离子和硼离子的注入深度小于1μm。

优选的，所述Cu极板的厚度为50 nm。

一种基于硅基二极管的新型磁传感器如图1所示，包括Cu极板4、Si n+层1、Si n层2和Si p+层3， Si n+层1和Si p+层3分别位于Si n层2的两侧， Cu极板4为两个，一个Cu极板位于Si n+层的上侧，另一个Cu极板位于Si p+层的下侧。即该基于硅基二极管的新型磁传感器采用本发明技术方案的制备方法制备。Si n+层1和Si p+层3厚度小于1μm。

由电极和二极管组成的器件。根据二极管的工作原理，在施加正向电压后，空间电荷区变窄，因此二极管导通，电阻近似为零; 当外加反向电压后，空间电荷区变宽，因此二极管截止，电阻近似为无穷大。这说明当外加电场时，二极管空间电荷区的改变可以大范围的调节二极管的电阻值。类似于空间电荷区的电场调制，当二极管在磁场作用下时，p型二极管的载流子空穴，和n型二极管的载流子电子在运动过程中均会受到洛伦兹力的影响。这将会直接改变载流子的运动轨迹和分布，从而改变二极管的空间电荷区。在一定的磁场下这种空间电荷区的改变也可以直接调节二极管的电阻值。因此通过对不同磁场下，二极管电阻的测量，可以推断出磁场的相关数值和具体方向。由于空间电荷区的变化可以导致传感器的电阻值呈数量级的变化，这将可以大大提高传感器的灵敏度。实验表明，在磁场2T，工作电压7 V， 二极管磁传感器室温磁电阻变化率可以达到2000%，这远远大于目前传统磁性材料的磁电阻室温变化率 (～10%-600%)。另外与目前传统磁性材料的磁电阻相比，该二极管磁传感器不仅显示高的磁阻变化率，而且可以适用于更广泛的磁场范围，同时具有小的尺寸(150 μm)和低的工作电压(7 V)。

如图2a所示，传感器的空间电荷区在外电场作用下空间是均匀的，载流子空穴和电子均沿直线运动，传感器电阻值恒定。而当施加外磁场时，如图2b所示，磁场方向为垂直器件p-n结平面向下，这时在Si（p+）层的载流子空穴受磁场的洛伦兹力作用，会向右下方移动；对于Si n+层载流子电子，运动方向是沿电流的反方向移动，同时由于受到洛伦兹力的作用，则偏转为向左下方运动。两种载流子的运动最终使得载流子在空间电荷区同一侧形成堆积，使得二极管空间电荷区发生改变，呈梯形分布，因此极大的增加了传感器的电阻值。

如图3所示，实线为实际测量值，空心点是根据二极管肖克莱理论                                               获得曲线。对于无外磁场时H = 0 T，硅基二极管磁传感器在5 V工作电压下，电流I 为10 mA，器件的电阻为500 Ohm。但是当外加磁场时，在5V工作电压下，电流随着磁场的增加迅速减小。当磁场为 5T时，电流减小为0.5 mA， 这时器件的电阻变到10000 Ohm。这时磁电阻变化率为1900%。因此从图3，可以通过测量在适当的工作电压下，磁传感器电阻值的大小变化来获得实际磁场的大小。

本发明技术方案的传感器不仅可以实现上述功能，同时还可以实现对磁场方向的探测。如图4所示，当给定不同电流值时，电压随外加磁场的角度变化均呈现的变化关系，其中A和B为常数，需通过对器件校准获得。A为无外加磁场时的电压值，B为磁场垂直情况下电压的变化值。因此，通过实际测量电压值，能够根据公式直接计算出来具体的磁场与器件的夹角大小。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于硅基二极管的新型磁传感器的制备方法，其特征在于，包括在60 keV加速电压下，在n硅基片的正面注入剂量为1×10¹⁵ atom/cm³的磷离子形成Si n+层，在40 keV加速电压下，在n硅基片的反面注入剂量为2×10¹⁴ atom/cm³的硼离子形成Si p+层，而n型硅基片Si n+层和Si p+层之间没有注入磷离子和硼离子为Si n层的步骤；

以及

在Si n+层和Si p+层上通过在溅射方法制备Cu极板的步骤。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在n型硅基片注入磷离子和硼离子时，离子浓度分布均匀，所述磷离子和硼离子的注入深度小于1μm。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述Cu极板的厚度为50 nm。

4.一种根据权利要求1或3所述的制备方法制备的基于硅基二极管的新型磁传感器，其特征在于，包括Cu极板、Si n+层、Si n层和Si p+层，所述Si n+层和Si p+层分别位于Si n层的两侧，所述Cu极板为两个，一个Cu极板位于Si n+层的上侧，另一个Cu极板位于Si p+层的下侧。

5.根据权利要求4所述的基于硅基二极管的新型磁传感器，其特征在于，所述Si n+层和Si p+层厚度小于1μm。