CN108039406B - 一种磁传感器、其制备方法与使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁传感器，具有场效应晶体管结构，包括半导体衬底、源极、漏极与栅极；其中，半导体衬底具有压电效应，半导体衬底上设置具有磁致伸缩性能的磁体；工作状态时，外界磁场作用于磁体，场效应晶体管的电信号发生改变，通过测试该电信号的变化实现该外界磁场的探测。该磁传感器结构简单易行，结合了场效应晶体管的信号放大作用，实现了高灵敏度的磁场探测，在磁传感器技术领域中具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及磁场探测技术，具体涉及一种磁传感器、其制备方法与使用方法。
背景技术
磁传感器是传感器中的一个重要组成部分，是把磁学信号变换成为电信号等其他所需形式的信息输出的传感器。经过近一个世纪的发展，磁传感器在人类社会生活的各个方面发挥着越来越来重要的作用，每年全世界有数以十亿计的磁传感器投入使用。伴随着磁传感器的日臻完善，各行各业对其提出了越来越高的要求，尤其是要求其探测精度越来越高，同时要求其使用量程越来越宽，进一步拓宽应用领域，以满足实际应用的需求。因此，具有高的探测精度同时具有宽的使用量程是磁传感器新的发展方向之一，也越来越受到了研究学者的广泛关注。
目前，较为常见的磁传感器主要有以下几类：霍尔(Hall)传感器、磁通门和电流感应磁传感器、磁电阻型传感器等。从目前的研究现状来看，室温下磁传感器的探测精度与量程通常是顾此失彼。因此，制备即满足高的探测精度又能实现宽的探测量程的磁场传感器仍然是一大挑战，寻求新型的磁传感器是目前努力的方向之一。
发明内容
针对上述技术现状，本发明提供一种磁传感器，具有场效应晶体管结构，包括半导体衬底，以及与半导体衬底相电连接的源极、漏极与栅极；其中，半导体衬底具有压电效应，半导体衬底上设置具有磁致伸缩性能的磁体；
工作状态时，外界磁场作用于磁体，由于磁致伸缩材料效应，磁体产生应力或应变传递在半导体衬底，半导体衬底由于压电效应而产生电荷，从而改变了场效应晶体管沟道中载流子的浓度，引起场效应晶体管的电信号改变，通过测试该电信号实现外界磁场的探测。
所述的半导体衬底即为场效应晶体管中的半导体衬底。
所述的半导体衬底具有压电效应，即，所述的半导体材料包括压电材料，其种类不限，例如氧化锌、氮化镓等。
所述的源极即为场效应晶体管中的源极，具有导电性，其材料不限，包括金属材料等；作为优选，所述的源极材料为铝(Al)、金(Au)或者钛(Ti)。所述的源极形态不限，优选为薄膜状。
所述的漏极即为场效应晶体管中的漏极，具有导电性，其材料不限，包括金属材料等；作为优选，所述的漏极材料为铝(Al)、金(Au)或者钛(Ti)。所述的漏极形态不限，优选为薄膜状。
所述的栅极即为场效应晶体管中的栅极，具有导电性，其材料不限，包括金属材料等；作为优选，所述的栅极材料为铝(Al)、金(Au)或者钛(Ti)。所述的栅极形态不限，优选为薄膜状。
所述的磁体材料为具有磁致伸缩性能的磁性材料，其种类不限；作为优选，所述的磁体材料具有大的磁致伸缩系数，以提高探测灵敏度。作为进一步优选，所述的磁体材料是具有高饱和场、大磁致伸缩系数的材料与强制磁致伸缩系数大的非晶软磁材料构成的复合材料，以同时实现宽量程的磁场探测。所述的具有大磁致伸缩系数的磁致伸缩材料包括但不限铁镓(FeGa)或者铽镝铁(TeDyFe)等；所述的强制磁致伸缩系数大的非晶软磁材料包括但不限于铁硅硼(FeSiB)等。
所述磁体形态不限，优选为薄膜状，其厚度优选为10纳米～1000纳米。
所述的场效应晶体管的电信号包括但不限于场效应晶体管的源漏极电流、沟道电子迁移率等。
作为一种优选的结构，所述的磁传感器还包括基座，该基座与所述的半导体衬底构成悬臂梁结构，即，半导体衬底的一端固定在基座上，该端称为固定端，另一端为自由端，当磁体在磁场作用下产生应力或应变传递在悬臂梁，通过悬臂梁放大该作用力并转换为电荷影响场效应晶体管其载流子浓度；作为进一步优选，磁体设置在靠近半导体衬底自由端的位置，最优选为设置在半导体衬底自由端的端部，作为进一步优选，源极、漏极与栅极设置在靠近半导体衬底固定端的位置，实现悬臂梁放大作用最大化。
为了提高探测灵敏度，所述半导体衬底优选为微纳米尺寸，作为进一步优选，其长度为10微米～500微米，宽度为5微米～100微米，厚度为1微米～50微米。进一步优选，所述的源极、漏极与栅极为微纳米尺寸；作为更优选，所述源极、漏极与栅极的长度和宽度均为1～200微米，厚度为纳米级。进一步优选，所述底座为微纳米尺寸，作为更优选，所述底座的长度为50微米～5000微米，宽度为10微米～1000微米，厚度为5微米～500微米。
本发明还提供了一种制备上述磁传感器的方法，包括如下步骤：
在衬底上采用磁控溅射的方法生长半导体材料，得到半导体衬底；
在半导体衬底上通过微加工工艺制备源极，作为优选，采用紫外光刻方法制备源极图案，然后采用磁控溅射方法在该源极图案表面制备源极；作为进一步优选，制备源极之后进行快速退火热处理，以进一步确保形成欧姆接触；
在半导体衬底上通过微加工工艺制备漏极，作为优选，采用紫外光刻方法制备漏极图案，然后采用磁控溅射方法在该漏极图案表面制备漏极；作为进一步优选，制备漏极之后进行快速退火热处理，以进一步确保形成欧姆接触；
在半导体衬底上通过微加工工艺制备栅极，作为优选，采用紫外光刻方法制备栅极图案，然后采用脉冲激光方法或者化学旋涂方法制备栅极；作为进一步优选，制备栅极之后进行快速退火热处理，以进一步确保形成肖特基接触；
在半导体衬底上采用磁控溅射方法沉积磁体材料，或者将磁体材料制成可涂敷材料涂敷在半导体衬底上。
当所述磁传感器还包括基座，该基座与所述的半导体衬底构成悬臂梁结构时，采用光刻技术与刻蚀技术相结合，首先在衬底上采用磁控溅射的方法生长半导体材料，然后在半导体材料表面光刻基座以及半导体衬底的图案，再刻蚀除去基座图案以及半导体衬底图案以外的半导体材料，以及除去半导体衬底图案下方的衬底部分，使半导体衬底一端固定在基座上呈悬浮状。
本发明的磁传感器的使用方法如下：
(1)对磁传感器的磁体施加固定的外加磁场，测试该磁传感器中场效应晶体管在一定测试条件下的电信号，例如输出特性曲线、转移特性曲线等，改变外加磁场的大小，得到一系列在某一固定外加磁场下的参考电信号；
(2)保持与步骤(1)中的测试条件相同，测试该磁传感器中场效应晶体管的实际电信号，将该实际电信号与步骤(1)中得到的参考电信号进行比对，与之相同的参考电信号所对应的外加磁场即为实际测量的磁场值。
综上所述，本发明采用场效应晶体管结构构成一种新型的磁传感器，通过晶体管结构设计，在半导体衬底上设置具有磁致伸缩效应的磁体，工作状态时外界磁场作用于该磁体产生应力或应变传递在半导体衬底，半导体衬底由于压电效应产生电荷，从而改变了场效应晶体管沟道中载流子的浓度，引起场效应晶体管的电信号改变，通过测试该电信号实现该外界磁场的探测。该磁传感器结构简单易行，结合了场效应晶体管的信号放大作用，实现了高灵敏度的磁场探测，尤其是当采用具有高饱和场、大磁致伸缩系数的材料与强制磁致伸缩系数大的非晶软磁材料复合作为磁体材料时，能够制得不仅具有高的探测精度，又能实现宽的探测量程的磁场传感器，可探测的外界磁场范围从纳特斯拉(nT)到特斯拉(T)量级，在磁传感器技术领域中具有良好的应用前景。另外，当该磁传感器还包括基座，该基座与所述的半导体衬底构成悬臂梁结构时，由于悬臂梁的信号放大作用，进一步提高了磁场探测灵敏度，尤其是当采用微尺寸的悬臂梁以及大矫顽力的磁性材料时，能够制得高灵敏度的磁场探测，在磁传感器技术领域中具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例中场效应晶体管磁传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例中场效应晶体管磁传感器的磁场响应图。
具体实施方案
下面结合附图与实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。
实施例1：
下面结合附图与实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。
图1中的附图标记为：源极1、漏极2、栅极3、半导体衬底4、磁体5以及基座6。
本实施例中，如图1所示，磁传感器包括基座6与场效应晶体管结构，场效应晶体管结构由半导体衬底4、源极1、漏极2以及栅极3构成。源极1、漏极2与栅极3位于半导体衬底4上。半导体衬底4上还设置磁体5。基座6与半导体衬底4构成悬臂梁结构，即，半导体衬底4的一端固定在基座6上，该端称为固定端，另一端为自由端。并且，磁体设置在半导体衬底自由端的端部，源极、漏极与栅极设置在靠近半导体衬底4固定端的位置。
基座6呈长方体结构，由层叠的薄膜材料组成，自下而上依次为硅层、二氧化硅层、铝镓氮层与氮化镓层，底座的长度为500微米，宽度为500微米，厚度为1000微米。其中，铝镓氮层厚度为2纳米～50纳米，氮化镓层厚度为2纳米～50纳米。
半导体衬底4呈长方体结构，由铝镓氮层与氮化镓层组成，长度为250微米，宽度为40微米，厚度为4微米。
磁体5呈长方体结构，是长度为100微米，宽度为40微米，厚度为200纳米的镍磁性薄膜。
源极1呈长方体结构，是长度为10微米，宽度为5微米，厚度为100纳米的金薄膜。
漏极2呈长方体结构，是长度为10微米，宽度为5微米，厚度为100纳米的钛薄膜。
栅极3呈长方体结构，是长度为10微米，宽度为5微米，厚度为100纳米的金薄膜。
上述磁传感器的制备方法包括如下步骤：
(1)半导体衬底的制备
采用脉冲激光沉积(PLD)系统或者磁控溅射在硅层与二氧化硅层构成的衬底上外延生长2～50纳米AlxGa1-xN(0<x<0.5)薄膜与2～50纳米GaN薄膜；然后，在GaN薄膜表面光刻基座6以及半导体衬底4的图案，之后采用刻蚀方法去除该基座图案以及半导体衬底图案以外的光刻胶、氮化镓以及铝镓氮，使位于该图案下方的二氧化硅层被裸露出，接着，用丙酮洗除去位于图案表面的光刻胶，得到处理后的衬底；再将处理后的衬底放入体积百分比浓度为10％的氢氟酸与90％的硝酸的混合溶液中刻蚀半小时，使半导体衬底图案下方的二氧化硅发生反应被腐蚀掉，半导体衬底以基座为支撑一端呈悬浮状态。
(2)场效应晶体管的源极的制备
在该半导体衬底上采用紫外光刻方法制备长度为10微米，宽度为5微米的长方形图案，然后采用磁控溅射方法在该长方形图案表面生长100纳米金薄膜，之后快速退火热处理，形成欧姆接触。
(3)场效应晶体管的漏极制备
在半导体衬底上采用紫外光刻方法制备长度为10微米，宽度为5微米的长方形图案，然后采用磁控溅射方法在该长方形图案表面生长100纳米钛薄膜，之后快速退火热处理，形成欧姆接触。
(4)场效应晶体管的栅极制备
在半导体衬底上采用紫外光刻方法制备长度为10微米，宽度为5微米的长方形栅极图案，然后采用磁控溅射方法100纳米金薄膜，之后快速退火热处理，形成肖特基接触。
(5)磁体的制备
在半导体衬底的自由端的端部采用磁控溅射方法沉积长度为100微米，宽度为40微米，厚度为200纳米的镍磁性薄膜。
该磁传感器进行如下测试：
(1)不施加外加磁场时，测试场效应晶体管的输出特性曲线，具体测试条件为：采用半导体参数仪，保持源漏电压为8V，施加0～-5V的栅极电压，获得源漏极电流曲线，即输出特性曲线，如图2中外加磁场为0mT的曲线；
(2)对磁体施加28mT的外加磁场，测试场效应晶体管的输出特性曲线，具体测试条件与步骤(1)中所述的测试条件相同，即，采用相同的半导体参数仪，保持源漏电压为8V，施加0～-5V的栅极电压，获得磁场为28mT的参考源漏极电流曲线，如图2所示，发现当施加外加磁场时，该磁传感器的场效应晶体管的源漏极电流曲线发生改变；改变外加磁场的大小，对磁体分别施加26mT，22mT，16mT的外加磁场，得到一系列在某一固定外加磁场下的参考源漏极电流曲线，如图2所示，从下到上依次为施加28mT，26mT，22mT，16mT，以及0mT的外加磁场所得到的参考源漏极电流曲线。
在实际应用中，测试该磁传感器中的场效应晶体管的实际输出特性曲线，具体测试条件与步骤(1)中所述的测试条件相同，即，采用相同的半导体参数仪，保持源漏电压为8V，施加0～-5V的栅极电压，获得实际的源漏极电流曲线；将该实际的源漏极电流曲线与步骤(2)中得到的参考源漏极电流曲线相对比，与之相同的源漏极电流曲线所对应的外加磁场即为实际测量的磁场值。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (23)
1.一种磁传感器的制备方法，其特征是：具有场效应晶体管结构，包括半导体衬底，以及与半导体衬底相电连接的源极、漏极与栅极；其中，半导体衬底具有压电效应，半导体衬底上设置具有磁致伸缩性能的磁体；
工作状态时，外界磁场作用于磁体，场效应晶体管的电信号发生改变，通过测试该电信号实现该外界磁场的探测；
所述的磁传感器还包括基座，该基座与所述的半导体衬底构成悬臂梁结构，即，半导体衬底的一端固定在基座上，该端称为固定端，另一端为自由端；磁体设置在半导体衬底自由端的端部；源极、漏极与栅极设置在靠近半导体衬底固定端的位置；
首先在衬底上采用磁控溅射的方法生长半导体材料，然后在半导体材料表面光刻基座以及半导体衬底的图案，再刻蚀除去基座图案以及半导体衬底图案以外的半导体材料，以及除去半导体衬底图案下方的衬底部分，使半导体衬底一端固定在基座上呈悬浮状；
在半导体衬底上通过微加工工艺制备源极；
在半导体衬底上通过微加工工艺制备漏极；
在半导体衬底上通过微加工工艺制备栅极；
在半导体衬底上采用磁控溅射方法沉积磁体材料，或者将磁体材料制成可涂敷材料涂敷在半导体衬底上。
2.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征是：采用紫外光刻方法制备漏极图案，然后采用磁控溅射方法在该漏极图案表面制备漏极。
3.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征是：制备漏极之后进行快速退火热处理。
4.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征是：采用紫外光刻方法制备源极图案，然后采用磁控溅射方法在该源极图案表面制备源极。
5.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征是：制备源极之后进行快速退火热处理。
6.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征是：采用紫外光刻方法制备栅极图案，然后采用脉冲激光方法或者化学旋涂方法制备栅极。
7.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征是：制备栅极之后进行快速退火热处理。
8.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征是：所述的半导体衬底材料包括氧化锌、氮化镓。
9.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征是：所述的源极材料为铝、金、钛中的一种或者几种。
10.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征是：所述的漏极材料为铝、金、钛中的一种或者几种。
11.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征是：所述的栅极材料为铝、金、钛中的一种或者几种。
12.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征是：所述的磁体材料是具有高饱和场、大磁致伸缩系数的材料与强制磁致伸缩系数大的非晶软磁材料构成的复合材料。
13.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征是：所述的场效应晶体管的电信号包括场效应晶体管的源漏极电流和/或沟道电子迁移率。
14.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征是：所述的磁体为薄膜状。
15.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征是：所述的磁体厚度为10纳米~1000纳米。
16.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征是：所述半导体衬底为微纳米尺寸。
17.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征是：所述半导体衬底的长度为10微米~500微米，宽度为5微米~100微米，厚度为1微米~ 50微米。
18.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征是：所述的源极、漏极与栅极为微纳米尺寸。
19.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征是：所述源极、漏极与栅极的长度和宽度均为1~200微米，厚度为纳米级。
20.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征是：所述基座为微纳米尺寸。
21.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征是：所述基座的长度为50微米~5000微米，宽度为10微米~1000微米，厚度为5微米~500微米。
22.如权利要求1至21中任一权利要求所述的制备方法制得的磁传感器的使用方法，其特征是：首先，不施加外加磁场，采用半导体参数仪测试该磁传感器中场效应晶体管的电信号；然后，对该磁传感器的磁体施加外加磁场，观察场效应晶体管的电信号的变化，通过该电信号的变化量获知所施加的磁场。
23.如权利要求22所述的磁传感器的使用方法，其特征是：包括如下步骤：
（1）对磁传感器的磁体施加固定的外加磁场，测试该磁传感器中场效应晶体管在一定测试条件下的电信号，改变外加磁场的大小，得到一系列在某一固定外加磁场下的参考电信号；
（2）保持与步骤（1）中的测试条件相同，测试该磁传感器中场效应晶体管的实际电信号，将该实际电信号与步骤（1）中得到的参考电信号进行比对，与之相同的参考电信号所对应的外加磁场即为实际测量的磁场值。
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