CN105261698A - 一种霍尔元件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种霍尔元件及其制备方法，该霍尔元件包括依次设置的衬底、掺杂的功能层、掺杂的欧姆接触层和金属电极，且欧姆接触层紧贴金属电极设置，功能层的掺杂浓度小于欧姆接触层的掺杂浓度。解决了低掺杂浓度的高灵敏度霍尔元件功能层很难与金属电极形成良好的欧姆接触的技术问题。从而可以制备出接触电阻率低、灵敏度很高的霍尔元件。

Description

一种霍尔元件及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体地说，涉及一种霍尔元件及其制备方法。

背景技术

霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器。由于其工艺简单、成本低且容易实现片上系统等优点已广泛应用在工业控制、智能仪器仪表和消费电子等领域。霍尔效应是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。

对于霍尔元件来说，载流子迁移率越大，则其灵敏度越大。大多数半导体的电子迁移率都大于空穴迁移率，所以一般的霍尔元件功能层均采用N型掺杂，而半导体材料的电子迁移率和掺杂浓度密切相关，掺杂浓度越高，则电子迁移率越低。因此，要获得更高的灵敏度，要求霍尔元件功能层材料掺杂浓度越低越好。但是，另一方面，当霍尔元件功能层掺杂浓度降低后，在其上与金属形成良好欧姆接触的工艺难度将大大提升。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于低掺杂浓度的高灵敏度霍尔元件功能层很难与金属电极形成良好的欧姆接触，从而提出一种霍尔元件及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种霍尔元件，包括依次设置的衬底、掺杂的功能层、掺杂的欧姆接触层和金属电极，且欧姆接触层紧贴金属电极设置，功能层的掺杂浓度小于欧姆接触层的掺杂浓度。

优选地，功能层为N型掺杂，掺杂浓度为2E15cm^-3到5E16cm^-3，欧姆接触层为N型掺杂，掺杂浓度为1E18cm^-3到1E19cm^-3。

优选地，欧姆接触层与金属电极之间的接触电阻率小于7.00×10^-4Ω/cm^-2。

优选地，衬底为半绝缘GaAs、功能层为N型掺杂的GaAs，欧姆接触层为N型掺杂的AlGaAs或InGaAs。

优选地，还包括钝化层，钝化层覆盖霍尔元件除金属电极表面外的外表面，钝化层为氮化硅。

一种霍尔元件的制备方法，包括以下步骤：

在衬底上依次形成功能层和欧姆接触层，功能层的掺杂浓度小于欧姆接触层的掺杂浓度；

在欧姆接触层上形成金属电极，以形成欧姆接触；

选择性地去除与金属电极紧贴部分以外的欧姆接触层。

优选地，在选择性地去除与金属电极紧贴部分以外的欧姆接触层的步骤之后，还包括：

在霍尔元件上形成钝化层；

去除金属电极上的钝化层。

优选地，功能层为N型掺杂的GaAs，欧姆接触层为N型掺杂的AlGaAs或InGaAs。

优选地，在欧姆接触层上形成金属电极，以形成欧姆接触的步骤包括：

利用电子束蒸发法形成金属电极；

氮气气氛中在400-800℃下保温100-150秒以进行退火。

优选地，在衬底上依次形成功能层和欧姆接触层的步骤包括：

在衬底上外延生长功能层后，将压力维持在120-140mbar、温度维持在700-800℃，并保持50-70s；

将反应压力控制在100-120mbar、生长温度控制在600-700℃，外延生长欧姆接触层。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1.本发明提供的霍尔元件在功能层与金属电极之间设置了掺杂浓度大于功能层的欧姆接触层，通过该欧姆接触层与金属电极形成良好的欧姆接触，解决了低掺杂的功能层难以与金属电极形成良好的欧姆接触的问题，从而其功能层的掺杂浓度可以非常低，因此具有非常高的电子迁移率，即其灵敏度会非常高。

2.本发明提供的霍尔元件制备方法，在功能层上形成了欧姆接触层，再在欧姆接触层上制备金属电极形成欧姆接触，且功能层的掺杂浓度小于欧姆接触层的掺杂浓度，掺杂浓度较高的欧姆接触层可以与金属电极形成接触电阻率低的良好欧姆接触，从而可以制作出功能层掺杂浓度很低的霍尔元件，功能层掺杂浓度低的霍尔元件的灵敏度高。

附图说明

图1是本发明实施例的霍尔元件结构示意图；

图2是本发明实施例的霍尔元件制备方法的流程图；

图3是本发明实施例中的功能层和欧姆接触层的制备方法的流程图；

图4是本发明实施例中的在欧姆接触层上形成金属电极的方法流程图。

图中附图标记表示为：1-衬底、2-功能层、3-欧姆接触层、4-金属电极、5-钝化层。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的内容，下面结合附图和实施例对本发明所提供的技术方案作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供了一种霍尔元件，包括依次设置的衬底1、掺杂的功能层2、掺杂的欧姆接触层3和金属电极4，且欧姆接触层3紧贴金属电极4设置，功能层2的掺杂浓度小于欧姆接触层3的掺杂浓度。功能层2与欧姆接触层3可以采用N型掺杂，也可以采用P型掺杂，优选地采用N型掺杂。

本发明实施例提供的霍尔元件，在功能层2与金属电极4之间设置了掺杂浓度大于功能层2的欧姆接触层3，通过该欧姆接触层3与金属电极4形成良好的欧姆接触，解决了低掺杂的功能层难以与金属电极形成良好的欧姆接触的问题，从而其功能层2的掺杂浓度可以非常低，因此具有非常高的电子迁移率，即其灵敏度会非常高。

作为优选的实施方式，功能层2选用硅元素掺杂，掺杂浓度为2E15cm^-3到5E16cm^-3，进一步优选掺杂浓度为5E16cm^-3。该低掺杂浓度功能层的霍尔元件的灵敏度很高。上述欧姆接触层3选用硅元素掺杂，掺杂浓度为1E18cm^-3到1E19cm^-3，进一步优选掺杂浓度为2E18cm^-3。

具体地，衬底1为半绝缘GaAs、功能层2为N型掺杂的GaAs，欧姆接触层3为N型掺杂的AlGaAs或InGaAs。

半绝缘GaAs衬底1的厚度优选为300-400um，进一步优选为350um。GaAs功能层2的厚度优选为1-3μm，进一步优选为2μm。欧姆接触层3具体选用In_0.2Ga_0.8As材料，厚度优选为0.1μm-0.3μm，进一步优选为0.2μm。

本发明实施例提供的霍尔元件的欧姆接触层3与金属电极4之间的接触电阻率小于7.00×10^-4Ω/cm^-2。

作为另一优选的具体实施方式，本发明实施例的霍尔元件还包括钝化层5，钝化层5覆盖霍尔元件除金属电极表面外的外表面，钝化层5为氮化硅。其厚度优选为0.1-0.5μm，进一步优选为0.30μm。该钝化层5主要用于保护功能层2，以防止其受到物理损害或者化学腐蚀损害。

如图2所示，本发明实施例还提供了一种霍尔元件的制备方法，包括以下步骤：

S1：在衬底上依次形成功能层和欧姆接触层，功能层的掺杂浓度小于欧姆接触层的掺杂浓度；

S2：在欧姆接触层上形成金属电极，以形成欧姆接触；

S3：选择性地去除与金属电极紧贴部分以外的欧姆接触层。

本发明实施例提供的霍尔元件的制备方法，在功能层上形成了欧姆接触层，再在欧姆接触层上制备金属电极形成欧姆接触，且功能层的掺杂浓度小于欧姆接触层的掺杂浓度，掺杂浓度低的功能层虽然不能直接与金属电极形成接触电阻率低的良好欧姆接触，但掺杂浓度较高的欧姆接触层可以与金属电极形成接触电阻率低的良好欧姆接触，从而可以制作出功能层掺杂浓度很低的霍尔元件，功能层掺杂浓度低的霍尔元件的灵敏度高。即通过在功能层上制备欧姆接触层与金属电极形成欧姆接触可以制备出灵敏度较高的霍尔元件。

具体地，如图3所示，步骤S1中，即在衬底上依次形成功能层和欧姆接触层的步骤包括：

S11：在衬底上外延生长功能层后，将压力维持在120-140mbar、温度维持在700-800℃，并保持50-70s；

S12：将反应压力控制在100-120mbar、生长温度控制在600-700℃，外延生长欧姆接触层。

具体地，衬底为半绝缘GaAs、功能层为N型掺杂的GaAs，欧姆接触层为N型掺杂的AlGaAs或InGaAs。功能层选用硅元素掺杂，掺杂浓度为2E15cm^-3到5E16cm^-3，进一步优选掺杂浓度为5E16cm^-3。上述欧姆接触层选用硅元素掺杂，掺杂浓度为1E18cm^-3到1E19cm^-3，进一步优选掺杂浓度为2E18cm^-3。半绝缘GaAs衬底的厚度优选为300-400um，进一步优选为350um。GaAs功能层的厚度优选为1-3μm，进一步优选为2μm。欧姆接触层具体选用In_0.2Ga_0.8As，厚度优选为0.1μm-0.3μm，进一步优选为0.2μm。

另外，在欧姆接触层上形成金属电极的步骤之前，还包括：

对功能层和欧姆接触层进行图像化以形成台面。

具体地，如图4所示，上述步骤S2，即在欧姆接触层上形成金属电极以形成欧姆接触的步骤包括：

S21：利用电子束蒸发法形成金属电极；

S22：氮气气氛中在400-800℃下保温100-150秒以进行退火。

表1示出了分别使用不同的反应参数来形成欧姆接触层和金属电极的实施例1-20，并利用传输线模型法测量各实施例制备出的霍尔元件的欧姆接触层的接触电阻率。其中，功能层为掺杂有硅元素的GaAs层，掺杂浓度为5E16cm^-3，厚度为2μm；欧姆接触层为掺杂有硅元素的In_0..2Ga_0.8As，掺杂浓度为2E18cm^-3，该欧姆接触层的厚度为0.2μm。

如表1所示，在衬底上外延生长功能层后，将压力维持在120-140mbar、温度维持在700-800℃，并保持50-70s后，将反应压力控制在100-120mbar、生长温度控制在600-700℃，外延生长欧姆接触层。再利用电子束蒸发法在欧姆接触层上形成金属电极，并在氮气气氛中在400-800℃下保温100-150秒以进行退火。如实施例1-8所示，形成的霍尔元件的欧姆接触电阻率大约在3.07×10^-4-6.09×10^-4之间，在理想范围内，即在特定制备工艺下低掺杂浓度的功能层通过欧姆接触层与金属电极形成了良好的欧姆接触。从而制备出了灵敏度更高的霍尔元件。而在外延生长功能层后，制备欧姆接触层时，如果其各反应参数均在优选数值范围外时，即便在欧姆接触层上形成金属电极时的各反应参数均在优选范围内，如实施例9-12所示，形成的霍尔元件的欧姆接触电阻率也大了一些，即形成的欧姆接触并不十分理想。同样地，当在欧姆接触层上形成金属电极时的各反应参数不在优选范围内，即便在外延生长功能层后制备欧姆接触层时，其各反应参数均在优选数值范围内，如实施例13-16所示，形成的霍尔元件的欧姆接触电阻率也比较大，形成的欧姆接触不太理想。如果，在外延生长功能层后，制备欧姆接触层时，其各反应参数均在优选数值范围外，且在欧姆接触层上形成金属电极时的各反应参数也均在优选范围外时，如实施例17-20所示，形成的霍尔元件的欧姆接触电阻率与理想范围内的欧姆接触电阻率相差甚远，即形成的欧姆接触不理想。由表1可知，在本发明实施例提供的霍尔元件制备工艺条件下，能够得到较优的欧姆接触层，其接触电阻率小于7.00×10^-4Ω/cm^-2。

表1实施例1-20的霍尔元件制备方法的反应参数及其欧姆接触层的接触电阻率

作为另一优选的实施方式，如图2所示，在步骤S3后，即在选择性地去除与金属电极紧贴部分以外的欧姆接触层的步骤之后，还包括：

S4：在霍尔元件上形成钝化层；

S5：去除金属电极上的钝化层。

该钝化层主要用于保护功能层，以防止其受到物理损害或者化学腐蚀损害。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种霍尔元件，其特征在于，包括依次设置的衬底、掺杂的功能层、掺杂的欧姆接触层和金属电极，且所述欧姆接触层紧贴所述金属电极设置，所述功能层的掺杂浓度小于所述欧姆接触层的掺杂浓度。

2.如权利要求1所述的霍尔元件，其特征在于，所述功能层为N型掺杂，掺杂浓度为2E15cm^-3到5E16cm^-3，所述欧姆接触层为N型掺杂，掺杂浓度为1E18cm^-3到1E19cm^-3。

3.如权利要求1所述的霍尔元件，其特征在于，所述欧姆接触层与所述金属电极之间的接触电阻率小于7.00×10^-4Ω/cm^-2。

4.如权利要求1-3中任一项所述的霍尔元件，其特征在于，所述衬底为半绝缘GaAs、所述功能层为N型掺杂的GaAs，所述欧姆接触层为N型掺杂的AlGaAs或InGaAs。

5.如权利要求1-4中任一项所述的霍尔元件，其特征在于，还包括钝化层，所述钝化层覆盖所述霍尔元件除所述金属电极表面外的外表面，所述钝化层为氮化硅。

6.一种霍尔元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在衬底上依次形成功能层和欧姆接触层，所述功能层的掺杂浓度小于所述欧姆接触层的掺杂浓度；

在所述欧姆接触层上形成金属电极，以形成欧姆接触；

选择性地去除与所述金属电极紧贴部分以外的欧姆接触层。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述选择性地去除与所述金属电极紧贴部分以外的欧姆接触层的步骤之后，还包括：

在所述霍尔元件上形成钝化层；

去除所述金属电极上的钝化层。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述功能层为N型掺杂的GaAs，所述欧姆接触层为N型掺杂的AlGaAs或InGaAs。

9.如权利要求6-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述在所述欧姆接触层上形成金属电极，以形成欧姆接触的步骤包括：

利用电子束蒸发法形成金属电极；

氮气气氛中在400-800℃下保温100-150秒以进行退火。

10.如权利要求6-9所述的方法，其特征在于，所述在衬底上依次形成功能层和欧姆接触层的步骤包括：

在所述衬底上外延生长所述功能层后，将压力维持在120-140mbar、温度维持在700-800℃，并保持50-70s；

将反应压力控制在100-120mbar、生长温度控制在600-700℃，外延生长欧姆接触层。