CN108231997A - 包括无源磁电式换能器结构的半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了包括无源磁电式换能器结构的半导体器件。一种半导体器件包括：无源磁电式换能器结构(ME1)，被适配用于通过由磁场引起的机械应力来产生电荷。所述第一换能器结构(ME1)具有可电连接至电开关(SW1)的控制端子(23)的第一端子(10)，并且具有可电连接至所述电开关(SW1)的第一端子(21)的第二端子(12)，以便提供用于断开/闭合所述开关(SW1)的控制信号。所述开关可以是FET。一种无源磁性开关使用磁电式换能器结构。无源磁电式换能器结构(ME1)用于在不需要外部电源的情况下断开或闭合开关的用途。

Description

包括无源磁电式换能器结构的半导体器件
技术领域
本发明涉及包括无源磁电式换能器结构的半导体器件领域并且涉及无源磁性开关领域。
背景技术
在本领域中，用于检测磁场的存在的器件是已知的。众所周知的示例为：作为分立机械部件的示例的磁簧开关以及作为嵌入在集成半导体器件中的部件的示例的霍尔元件。
于1936年发明的磁簧开关是通过所施加的磁场来操作的电开关。其由气密密封的玻璃封套中的一对黑色金属簧片触点组成。所述触点可以是常开的，但在磁场存在时闭合；或者是常闭的，并且在磁场被施加时断开。开关可以通过形成簧片继电器的线圈或者通过使磁体接近开关来致动。一旦将磁体从开关处拉开，磁簧开关将回到其初始位置。磁簧开关例如用作防盗报警器的接近开关。用于制作磁簧开关的技术非常成熟，但是正因如此，它们无法被集成到半导体器件中。磁簧开关的主要优点在于其是无源器件，这意味着磁簧开关不需要电能来感测磁场的存在。
霍尔元件是众所周知的用于感测磁场的集成器件。霍尔元件通常具有四个节点：两个激励节点和两个感测节点。当在激励节点上施加恒定电压或恒定电流时，磁场的强度可以被衡量为感测节点上的差分电压。霍尔元件的缺点在于其需要电能。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供一种包括磁电式换能器结构的半导体器件、一种制作这种器件的方法、以及这种磁电式换能器结构的用途。
本发明的具体实施例的目的是提供无源磁性开关。
这些和其他目的是通过根据本发明的实施例的一种半导体器件以及一种生产这种半导体器件的方法来完成的。
在第一方面，本发明提供了一种半导体器件，所述半导体器件包括：无源磁电式换能器结构，被适配用于产生由磁场感生的机械应力引起的电荷。
在实施例中，所述半导体器件进一步包括半导体开关，所述半导体开关电连接至所述无源磁电式结构，所述开关具有第一端子和第二端子以及控制端子，所述开关被适配用于根据在所述控制端子处呈现的信号而选择性地将所述第一和第二端子进行电连接和断开连接；所述换能器结构具有电连接至所述开关的所述控制端子的第一端子，并且具有电连接至所述开关的所述第一端子的第二端子，并且被适配用于断开或闭合所述开关。
应指出的是，“电连接至所述控制端子”可以指直接连接、或者间接连接，例如，经由无源子电路，如例如，整流器电路或差分电桥电路(例如，惠斯通电桥等)。
所述无源换能器结构可以包括或者可以是压电材料。
这种结构的优点在于其允许制作无源开关，能够在不需要能量(来自例如电池)的情况下断开或闭合开关。
开关可以是根据控制信号而向电通路提供可变电阻的部件。当电阻值低于预定义电阻值(例如，低于1000欧姆)时，开关被认为是“闭合”的。当电阻值高于所述预定义数时，开关被认为是“断开”的。
在实施例中，所述半导体开关是以下场效应晶体管，所述场效应晶体管具有作为所述控制端子的栅极、以及作为所述第一端子的源极以及作为所述第二端子的漏极；或者所述半导体开关是以下场效应晶体管，所述场效应晶体管具有作为所述控制端子的栅极、以及作为所述第二端子的源极以及作为所述第一端子的漏极。
当栅极电压足够高于源极电压或者足够低于漏极电压时，晶体管“导通”，即，在源极与漏极之间形成了低阻电通路，或者换言之，开关“闭合”。
可以从由以下各项组成的组中选择FET：JFET、MOSFET、MNOS、DGMOSFET、DEPFET、FREDFET、HIGFET、MODFET、TFET、IGBT、HEMT、ISFET、MESFET、NOMFET、GNRFET、VeSFET、CNTFET、OFET、QFET。
在实施例中，所述磁电式换能器结构被安装到衬底上或者被安排在封装体内部，其方式为使得所述磁电式换能器结构在第一方向上具有第一刚度或第一弹性模量、并且在垂直于所述第一方向的第二方向上具有不同于所述第一刚度或第一弹性模量的第二刚度或第二弹性模量。
在实施例中，第一与第二弹性模量之比小于90％或大于110％，例如，小于80％或大于120％，例如，小于70％或大于130％。
在实施例中，第一和第二刚度由具有非恒定厚度和/或非均匀形状的磁电层的大小和/或几何结构限定，或者因为磁电层被固定地连接或安装到非柔性细长元件上或包括非柔性细长元件。
这种结构的优点在于其在平行于衬底的不同方向上具有不同“刚度”。换言之，在这些实施例中，磁电式换能器结构以特定方式安装以便引起非对称刚度。这允许在垂直于衬底的平面的方向(Z)上感生极化，所述极化在顶部与底部表面之间引起电压差并且在压电层的两个表面上引起相反电荷。
在实施例中，所述磁电式换能器结构在其表面区域的主要部分上借助于弹性连接、并且在其表面区域的次要部分上借助于具有至少2.0的长宽比的细长带被连接至衬底。
在实施例中，所述磁电式换能器结构在所述换能器结构的中心部分上被柔性地安装到衬底上并且在至少两个不同位置处被固定地连接至所述衬底，以便在磁场被施加时减小所述换能器结构在这些位置之间的机械膨胀或收缩。
在实施例中，所述磁电式换能器结构在所述换能器结构的中心部分上被柔性地安装到封装体上并且在至少两个不同位置处被固定地连接至所述封装体，以便在磁场被施加时减小所述换能器结构在这些位置之间的机械膨胀或收缩。
在实施例中，所述半导体器件进一步包括细长元件，所述细长元件的刚度或弹性模量高于所述磁电式换能器结构的刚度或弹性模量，所述细长元件在至少两个不同位置处被安装到所述换能器结构(ME)上，以便在磁场被施加时减小所述换能器结构在这些位置之间的机械膨胀或收缩。
这些是如将例如在图8至图11中展示的，可以如何提供具有非对称刚度的磁电式换能器结构的方式的几个具体示例。
在实施例中，所述无源磁电式换能器结构包括磁致伸缩层，所述磁致伸缩层紧密地机械耦合到压电层或压电元件。
可选地，所述压电层或压电元件包括从由AlN、ZnO、AlScN、PZT和AlGaN组成的组中选择的压电材料。
可选地，所述压电层包括细长元件，所述细长元件的刚度或弹性模量高于所述磁电式换能器结构的刚度或弹性模量，以便在磁场被施加时减小所述压电层在所述细长元件的纵向方向上的机械膨胀或收缩。
可选地，所述磁致伸缩层包括从由FeGa、FeCo、FeTb、FeCoSiB和FeCoB组成的组中选择的磁致伸缩材料。
在实施例中，所述无源磁电式换能器结构包括具有嵌入的磁致伸缩粉末的压电膜。所述具有嵌入的磁致伸缩粉末的压电膜在不存在外部磁场的情况下沿着第一轴线具有择优磁化。
在磁致伸缩材料是一个层的情况下，优选的是，压电材料被定向为使得与最高压电常数相对应的轴线基本上垂直于磁致伸缩层的平面。磁致伸缩层的择优磁化通常平行于磁致伸缩层的平面。
在实施例中，所述压电元件包括从由AlN、ZnO和AlScN组成的组中选择的压电材料。
压电元件可以具有长度(L)和宽度(W)的矩形形状，其中，长宽比为在从2到100的范围内的值。
在实施例中，所述磁致伸缩层包括从由FeGa和FeCo组成的组中选择的磁致伸缩材料。
在实施例中，所述第一磁致伸缩材料在不存在外部磁场的情况下沿着第一轴线(例如，X)具有择优磁化。
在实施例中，所述无源磁电式换能器结构包括被串联电连接且被定向为彼此平行的多个、至少两个压电元件。
所述串联连接提供用于控制开关的更大信号，由此，开关的电阻通常更低，并且控制更可靠。
优选地，压电元件中的每个压电元件都具有在从2到100的范围内的长宽比，例如，在从2到10的范围内，例如，约5的L/W。
在实施例中，所述半导体器件进一步包括第二无源磁电式换能器结构，所述第二无源磁电式换能器结构包括紧密地机械耦合到至少一个第二压电元件的第二磁致伸缩层，所述第二磁致伸缩层包括第二磁致伸缩材料；并且所述第二磁致伸缩材料在不存在外部磁场的情况下沿着不同于所述第一轴线(例如，X)的第二轴线(例如，Y)具有择优磁化。
第二磁致伸缩材料可以是与第一磁致伸缩材料相同或不同的材料，但是优选地为同一材料。然而，优选地，第二磁致伸缩层与第一磁致伸缩层物理地分离，因为其沿着不同的轴线具有择优磁化。
在实施例中，所述半导体器件包括第一磁电式堆叠，所述第一磁电式堆叠包括具有正磁致伸缩的第一磁致伸缩材料；并且所述半导体器件包括第二磁电式堆叠，所述第二磁电式堆叠包括具有负磁致伸缩的第二磁致伸缩材料，并且所述第一磁电式堆叠和所述第二磁电式堆叠串联连接并且被定向为具有不同的最大灵敏度方向。
以此方式，可以减少半导体器件的(不想要的)热敏性。
第一和第二磁电式堆叠各自可以包含多个细长带，并且第一堆叠的带可以被定向为垂直于第二堆叠的带。
在实施例中，所述第二无源磁致伸缩换能器结构包括被串联电连接的多个、至少两个压电元件，这些压电元件中的每个压电元件紧密地机械耦合到所述第二磁致伸缩层并且被定向为相对于彼此平行，以便提供第二电压信号；并且所述器件进一步包括无源电路，所述无源电路用于产生在第一控制信号与第二控制信号之间的差分信号。
所述串联连接提供用于控制开关的更大信号，由此，开关的电阻通常更低，并且控制更可靠。
所述结构的优点在于提供与两个不同方向上的磁场分量相关的两个单独信号，因为这允许使用从第一磁致伸缩结构处获得的信号与从第二磁致伸缩结构处获得的信号之间的差分信号，这对温度较不灵敏，这使得所述电路适用于汽车应用。
无源电路可以例如包括一个或多个整流器电路或差分电桥电路(例如，惠斯通电桥电路)。
优点是使用由对不同磁性刺激Bx、By灵敏的两个磁电式堆叠所产生的差分电荷或电压来避免通过温度变化或其他杂散效应引起的电荷产生。
在实施例中，所述第一开关被嵌入在半导体衬底中；并且所述衬底进一步包括弹性体层；并且所述第一无源磁电式换能器结构安装到所述弹性体层上，使得所述磁致伸缩层面向所述弹性体层。
所述磁致伸缩层可以与所述弹性体层物理接触。
所述衬底可以是硅衬底，和/或所述弹性体层可以包括PDMS或聚酰亚胺或由其组成。
在实施例中，所述半导体器件进一步包括状态机，所述状态机被适配用于在触发事件之后的预定义时间之后主动重置磁电式结构上的电压。
在第二方面，本发明提供了一种生产根据第一方面的半导体器件的方法，所述方法包括以下步骤：提供硅衬底，所述硅衬底包括在所述硅衬底顶部上的氧化物层；在所述氧化物层顶部上提供第一电极层；提供压电和磁致伸缩层或结构；可选地，在存在恒定磁场的情况下对所述第一衬底进行退火；提供包括至少一个半导体开关的第二衬底，所述至少一个半导体开关具有第一端子和第二端子以及控制端子；在所述第二衬底顶部上提供弹性体层；将所述第一衬底安装到所述第二衬底上，使得所述压电和磁致伸缩层或结构面向所述弹性体层；去除所述第一衬底的所述硅和所述硅氧化物层；将所述第一电极电连接至所述开关的所述第一端子，并且将所述第二电极电连接至所述开关的所述控制端子。
在实施例中，提供所述压电和磁致伸缩层或结构的步骤包括以下步骤：i)在所述第一电极层顶部上提供压电层；ii)可选地，在所述压电层顶部上提供第二电极层；iii)在所述第二电极顶部上或直接在所述压电层顶部上提供磁致伸缩层。
在实施例中，提供所述压电和磁致伸缩层或结构的步骤包括以下步骤：iv)在所述第一电极层顶部上提供包括磁致伸缩粉末的压电层。
所述方法可以进一步包括以下步骤：在所述磁致伸缩层顶部上提供细长带，使得所述细长带在至少两个不同位置处直接连接至所述磁致伸缩层。
所述方法可以进一步包括以下步骤：在所述弹性体层中提供两个间隔开的开口(孔)或一个细长狭槽以便经由所述开口或经由所述狭槽将所述磁致伸缩层连接至所述衬底。
在第三方面，本发明涉及将如第一方面所述的无源磁电式换能器结构用于产生输入信号的用途，所述输入信号用于在不需要外部电源的情况下断开或闭合电开关(特别是集成半导体开关)。
本发明还涉及将根据第一方面的器件用作无源唤醒电路的用途，所述无源唤醒电路用于将电力传递至第二电路或阻断到第二电路的电力。
所述开关将通常与电源电压串联安排，并且所述唤醒电路将在磁场被施加到所述器件或靠近所述器件时把电源电压连接至第二电路(例如，计量器件)。
在所附独立权利要求和从属权利要求中陈述了本发明的各个具体和优选方面。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征组合并且可以酌情并且并不仅仅如权利要求书中明确陈述地与其他从属权利要求的特征组合。
本发明的这些和其他方面根据在下文中描述的(多个)实施例将是显而易见的并将参照所述实施例对其进行阐述。
附图说明
图1示出了根据本发明所述的一种半导体器件的实施例。所述器件包括磁电式换能器结构或元件以及可选地开关。
图2示出了根据本发明所述的一种半导体器件的另一个实施例。所述器件包括磁电式元件和可选地开关以及可选地附加电路系统。
图3示出了如可以在本发明的实施例中使用的材料堆叠的示例，所述材料堆叠包括磁致伸缩元件(或层)和压电元件(或层)以及两个附加电极。在此实施例中，这两个电极都被定位在磁致伸缩层的同一(上)侧上。
图4示出了图3的半导体堆叠的如可以在本发明的实施例中使用的变体。在此实施例中，电极被定位在磁致伸缩层的相反侧上，或者换言之，磁致伸缩层被定位在这两个电极之间。
图5示出了如可以在本发明的实施例中使用的另一个半导体堆叠，所述半导体堆叠包括磁致伸缩元件(或层)和压电元件(或层)以及仅一个附加(第一)电极，所述磁致伸缩元件形成另一个(第二)电极。
图6以俯视图示出了磁致伸缩元件的示例。
图6(a)示出了甚至是在不存在外部磁场的情况下磁致伸缩材料沿着X轴具有择优磁化。
图6(b)示出了在存在沿着Y轴具有分量By的磁场的情况下具有负磁致伸缩的磁致伸缩材料，所述磁场使磁致伸缩材料沿着Y轴收缩并且使所述材料沿着X轴和Z轴膨胀。
图7以侧视图示出了图6的磁致伸缩元件，所述磁致伸缩元件在顶部具有压电元件和电极。
图7(a)示出了在不存在磁场的情况下的堆叠。
图7(b)示出了图6(b)的在存在沿着Y轴具有分量的磁场的情况下的堆叠，所述磁场使磁致伸缩材料沿着Y轴收缩，进一步使安装于磁致伸缩材料上且紧密连接至磁致伸缩材料(在图7中未明确示出，但见例如图3至图5)的压电元件收缩。
图8示出了图6(a)的结构的变体，其中，磁致伸缩带在其两端或两侧固定至衬底以便机械地阻止或至少减少磁致伸缩带在其纵向方向上收缩。(一些层未示出)。
图9是图8的结构的变体，其中，磁致伸缩带在其两端或两侧固定至模具。(一些层未示出)。
图10是图9的结构的变体，其中，磁致伸缩层和压电层的位置被交换，并且其中，压电层固定至模具。
图11是图8的结构的另一种变体，其中，刚性的细长元件(不同于衬底且不同于封装体)连接至磁致伸缩带，使得所述结构在细长元件的纵向方向上具有较高的机械刚度并且在横向方向上具有较小的机械刚度。
图12示出了如可以在本发明的实施例中使用的第一无源磁电式换能器结构的示例，所述第一无源磁电式换能器结构包括磁致伸缩层以及安装于所述磁致伸缩层上的呈细长带(例如，矩形带)形式的多个压电元件。
图13示出了根据本发明的实施例的器件的示例。所述器件包括(图13的左侧)第一无源磁电式换能器结构，如像图12中示出的无源磁电式换能器结构，其中，磁致伸缩材料沿着X轴具有择优磁化；以及第二无源磁电式换能器结构(图13的右侧)，如像图12中示出的无源磁电式换能器结构，但是其中，磁致伸缩材料沿着Y轴具有择优磁化。
图14示出了图12的结构的变体，其中，多个“具有非均匀刚度的磁致伸缩岛”安装在弹性体层上并且互连。
图15是根据本发明的实施例的器件的电框图，包括如图12或图13中所展示的第一和第二换能器结构并且进一步包括四个二极管和一个FET。
图16是图15的电路的变体，进一步包括用于对第一和第二磁电式换能器结构进行放电的两个电阻器。
图17是图15的电路的另一种变体，进一步包括用于对第一和第二磁电式换能器结构进行放电的一个电阻器。
图18是图15的电路的另一种变体，进一步包括状态机和第二开关。
图19示出了图15的电路的另一种变体，包括仅一个磁电式换能器结构和一个开关。
图20示出了图19的电路的变体，具有两个附加二极管。
图21是流程图，展示了根据本发明的实施例的一种制作磁电式换能器结构(如像图3至图5中示出的磁电式换能器结构)的方法。
图22(a)至图22(f)也展示了根据本发明所述的方法。
图23示出了在其中开关(例如，FET)和磁电式换能器结构被集成到单个衬底上的结构。
所述附图仅是示意性的并且是非限制性的。在附图中，出于说明性目的，所述元件中的一些元件的大小可能被夸大并且未按比例绘制。权利要求书中的任何参考标记不应该被解释为限制范围。在不同的附图中，相同的参考标记指代相同或相似的元件。
具体实施方式
将关于具体实施例并且参照某些附图对本发明进行描述，但是本发明不限于此，而仅受限于权利要求书。所描述的附图仅为示意性的并且是非限制性的。在附图中，出于说明性目的，所述元件中的一些元件的大小可能被夸大并且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于本发明的实践的实际减小。
此外，说明书中和权利要求书中的术语第一、第二等用于在类似元件之间进行区分并且不一定用于描述顺序，无论是时间上、空间上、排序上还是以任何其他方式。要理解的是，这样使用的术语在适当的情况下是可互换的并且本文中所描述的本发明的实施例与本文中所描述或展示的相比能够以其他顺序运行。
此外，说明书和权利要求书中的术语顶部、下方等用于说明性目的并且不一定用于描述相对位置。要理解的是，这样使用的术语在适当的情况下是可互换的并且在本文中所描述的本发明的实施例与本文中所描述或展示的相比能够以其他定向运行。
要注意的是，权利要求书中所使用的术语“包括”不应该被解释为限于其后所列出的装置；其不排除其他元件或步骤。因而，其将被解释为限定如提到的所述特征、整体、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤或部件、或其组的存在或添加。因此，表述“包括装置A和B的器件”的范围不应局限于仅由部件A和B组成的器件。这意味着，对于本发明，器件的仅有的相关部件是A和B。
贯穿本说明书提到“一个实施例”或“实施例”意味着结合所述实施例而描述的具体特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在贯穿本说明书中各地方的出现不一定、但可以全都指相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，如从本公开中将对本领域技术人员明显的，可以以任何适当的方式组合具体的特征、结构或特性。
类似地，应该理解的是，在对本发明的示例性实施例的描述中，有时在单个实施例、附图、或其描述中将本发明的各个特征聚集在一起以用于使本公开合理化并帮助理解各发明方面中的一个或多个方面。然而，本公开的方法并不被解释为反映以下意图：所要求保护的发明需要比每项权利要求中明确表述的特征更多的特征。相反，如以下权利要求书所反映的，发明性方面在于比单个前述公开的实施例的所有特征更少。因此，据此将具体实施方式之后的权利要求书清楚地结合到具体实施方式中，其中，每项权利要求独立地代表本发明的单独实施例。
此外，虽然本文中所述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些而非其他特征，但是如本领域技术人员将理解的，不同实施例的特征的组合旨在处于本发明的范围内并形成不同实施例。例如，在以下权利要求书中，要求保护的实施例中的任何实施例可以以任何组合使用。
在本文中提供的描述中，阐述了许多具体细节。然而，要理解的是，可以在不具有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他实例中下，未详细示出众所周知的方法、结构和技术，以免模糊对本说明书的理解。
当提及“沿着X轴磁化”时，意味着材料具有如图6(a)中所示出的择优磁化，其中，在不存在外部磁场B外部的情况下，局部磁化向量基本上平行于X轴，但是可以指向X轴的正方向或负方向。换言之，存在180°的模糊性。从大尺度角度来看，净磁化为零，其中，局部磁化由其他位置中的相反磁化补偿。换言之，主要由在恒定磁场下进行的退火引起的各向异性使得局部磁化偏向平行于X轴的方向。
在本文档中，术语“磁电式换能器(magnetoelectric transducer)”和“磁电式换能器结构(magnetoelectric transducer structure)”以及“磁电式堆叠(magnetoelectric stack)”被用作同义词。其可以例如包括单个磁电式元件或者串联电连接的多个磁电式元件。其可以例如由真实的磁电式元件制成，或者其可以由嵌入在压电层中的磁致伸缩晶粒组成的复合层形成，或者其可以由与单个压电层直接机械接触的单个磁致伸缩层组成，或者其可以由交替的磁致伸缩和压电材料层组成。
术语“弹性模量(E-modulus)”或“杨氏模量(Young-modulus)”的含义相同。材料的弹性模量越大，材料越具刚性。弹性模量越小，材料越柔软。但是，还可以通过改变结构的形状和/或几何结构来增大刚度。
为了便于描述，将主要针对具有分立磁致伸缩层(或膜)和分立压电层(或膜)的结构来对本发明进行解释，但是本发明不限于此，并且例如还可以使用具有嵌入其中的磁致伸缩粉末的压电层。
图1示出了半导体器件100，所述半导体器件包括可操作地连接至电开关SW1的磁电式换能器结构ME1。
电开关SW1具有第一端子21和第二端子22，这些端子将基本上彼此电连接或基本上彼此电断开。电开关SW1进一步包括第三端子，所述端子还被称为用于控制开关状态的控制端子23。开关SW1具有两种主要状态或主要运行模式：断开或闭合。
磁电式换能器ME1被适配用于在外部磁场(以及因此还有紧邻ME1的磁场)变化时(例如，当磁场的幅值增大时，例如，当永磁体已经靠近器件时)向开关SW1的所述第三端子23提供电压信号。可以在本发明的器件中使用本领域中熟知的任何已知磁电式换能器，但是将对这种结构的几个优选实施例进行进一步描述，特别是在讨论图3至图14以及图21至图23时。
开关SW1的第一端子21连接至半导体器件的第一节点N1，所述节点可以是内部节点或者可以连接至半导体器件的外部引脚P1。同样，开关SW1的第二端子22连接至半导体器件的第二节点N2，所述节点可以是内部节点或者可以连接至外部引脚P2。器件100可以用于代替磁簧开关。
在本发明的优选实施例中，电开关SW1是在第一端子21与第二端子22之间提供阻性通路的场效应晶体管(被称为FET)。所述通路的电阻取决于施加到控制端子23上的电压。理想地，电阻为零或者无穷高，但在实践中，当然，电阻“相对低”，例如，当开关SW1处于被称为“闭合”的状态下时，低于预定义电阻值(例如，低于1000欧姆或低于500欧姆或低于250欧姆)，并且电阻值“相对大”，例如，当开关SW1处于被称为“断开”的状态下时，大于预定义电阻值(例如，大于1000欧姆或大于2000欧姆或大于4000欧姆)。
作为示例，预定义电阻值可以例如为1000欧姆，由此当这两个节点N1、N2上存在1V的电压差时允许1mA的电流。基本上，在硅中，在“断开”和“闭合”状态下流动的电流之间存在约8个量级的倍数，例如，在断开状态下约1mA，并且在闭合状态下约10pA。在由电池供电的应用中，就电池寿命而言，10μA或10pA的潜电流有很大的差别)。
尽管根据本发明所述的半导体器件不一定必须具有开关SW1(特别是FET)，但是将针对作为FET的开关SW1而进一步解释本发明，在这种情况下，第一和第二端子21、22被称为“源极”和“漏极”，并且控制端子23被称为“栅极”。可以在本发明的实施例中使用任何已知或仍未知类型的FET，例如，从由以下各项组成的组中选择的任何FET：JFET、MOSFET、MNOS、DGMOSFET、DEPFET、FREDFET、HIGFET、MODFET、TFET、IGBT、HEMT、ISFET、MESFET、NOMFET、GNRFET、VeSFET、CNTFET、OFET、QFET。
本发明的一个重要方面是使用磁电式结构来控制FET，所述磁电式结构并不是普通的组合，尤其是因为无法容易地预测由这种结构产生的电压对于可靠地控制FET而言足够高。然而，诸位发明人已经发现，通过使用具有适当尺寸且由适当材料制成的堆叠，可以产生足够量的电荷(以及因此，电压)以便可靠地控制EFT，甚至是在磁场强度为几毫特斯拉的情况下。更具体地，通过使用足够厚的层(例如，厚度为至少1.0或至少2.0μm或至少4.0μm)以及足够大的结构(例如，至少0.1mm2)、并且通过使用具有高磁致伸缩性质(例如，至少100ppm或至少200ppm)或高压电性质(例如，至少0.5C/m2或至少1C/m2)。
图2示出了作为本发明的另一个具体实施例的半导体器件200。器件200包括磁电式元件ME1和开关SW1以及附加电路系统4。附加电路系统4可以仅包含无源部件，如例如，从由以下各项组成的组中选择的一个或多个部件：电阻器、电容器、二极管，或者可以进一步包含有源部件，比如，晶体管。
在图2中所示出的示例中，附加电路4被安排在第一与第二节点N1、N2之间(如以上所提及的，这些节点可以是内部节点或者可以连接至外部引脚)，但是在本发明的其他实施例中，附加电路可以安排在无源磁电式换能器ME1与开关SW1的控制端子23之间。如可以看到的，除了由磁电式元件ME1产生的电压之外，未使用任何电压供应来对附加电路系统4进行通电。
图3示出了如可以在本发明的实施例中使用的材料堆叠300。所述堆叠形成了安装在载体上的无源磁电式换能器结构“ME”。所述载体可以进一步包括开关SW1(在图3中未示出)，尽管那不是绝对需要的，并且开关SW1还可以被定位在另一个衬底上。
所述堆叠包括：
-磁致伸缩层33；此层可以由例如FeGa或FeCo组成或包括所述材料；
-电极层34(在本文中被称为“第二电极”)，所述电极层位于磁致伸缩层33顶部上，例如由FeCo或Mo或Pt组成或包括所述材料；
-压电层35，所述压电层位于电极层34顶部上，例如由AlN或ZnO或AlScN组成或包括所述材料；
-电极层36(在本文中被称为“第一电极”)，所述电极层位于压电层35顶部上，例如由Pt或Mo或其合金组成或包括所述材料；
此堆叠应当例如借助于如PDMS或聚酰亚胺等弹性体而被柔性地安装到衬底37上。
当在所述堆叠附近施加磁场时(例如，通过利用永磁体来靠近堆叠300)，磁致伸缩元件33在特定方向上压缩(如将在图6和图7中解释的)，由此对压电层35施加机械应力。这使得压电层35产生机械变形，这在夹置有压电层35的电极34、36上产生电压ΔV。如将进一步解释的，此电压ΔV将被直接或间接施加到用于充当开关SW1的FET的栅极23上。
根据本发明所述的“无源磁性开关”的工作原理如下：在磁场被施加时，由压电结构300产生电压ΔV，并且开关SW1“闭合”，这意味着FET“导通”。当磁场被去除时，电压也去除，并且开关“断开”，这意味着FET“断开”。
如果存在下拉电阻器(见例如图16)，则当磁场被去除时，开关的栅极被朝着闭合状态拉动。如果不存在下拉电阻器(见例如图15和图17)，则当电荷被去除时，开关SW1的栅极“G”不泄露，并且电压被去除。
在优选实施例中，AlScN被用作压电层，并且Pt或Co被用作第一电极36的材料。这提供的优点在于模板的晶格与AlScN的结晶(002)方向匹配，因此，AlScN晶体择优以正确的晶体定向生长以便产生最优压电输出。在生产期间，可以在Pt或Mo层顶部上生长AlScN层。
优选地，50Fe50Co被用作磁致伸缩材料。这种合金50Fe50Co具有良好的性质来支持应用，例如，高初始磁导率(mu>1000)以及低矫顽力(<500A/m或<600μT)(这些性质使输出端上的电势相对于所施加磁场的滞后减小或最小化)，从而确保可以检测到很小的磁场变化(约1mT)。这种合金具有高自发磁化(大约2.1T)，在饱和(取决于形状)之前，这种性质允许很宽的工作范围，并且这种合金具有可接受的磁致伸缩(大约200ppm)以便在压电层上产生足够的应变/应力。
返回参照图3，磁致伸缩层33紧密地机械耦合到压电层35以便允许机械变形(如将在图7中更加详细地示出的)。优选地，相比于压电层35的厚度，第一和第二电极层36、34相对较薄。优选地，每个层都具有在从0.2到6.0μm的范围内的厚度，例如，在从1.0到5.0μm的范围内，例如，等于约2μm。
形成磁电式换能器的ME堆叠(所述堆叠包括磁致伸缩材料和压电材料以及电极36、34)经由弹性材料、优选地高弹性材料(例如，具有约0.0GPa到约5.0GPa的弹性模量或者在从0.1GPa到5.0GPa范围内的弹性模量或者在从0.5GPa到5.0GPa范围内的弹性模量的材料)例如弹性体38(如例如，聚酰亚胺或PDMS)而被柔性地安装到衬底或载体37上。这允许ME堆叠(以及具体地，磁致伸缩材料和压电材料)在存在磁场的情况下发生变形，而无需将ME堆叠安装到悬挂于例如其一端处的悬臂上。这通过减小工艺步骤的数量来简化了制造，因为不需要步骤来形成允许变形的悬臂和空腔。根据本发明所述的ME堆叠针对机械冲击更具鲁棒性，因为这种悬臂可能断裂。
优选地，载体是半导体衬底37，进一步包括嵌入其中的半导体开关SW1。例如，衬底37可以是CMOS衬底，所述CMOS衬底具有嵌入其中的FET并且进一步包括导电轨，所述导电轨用于允许例如经由接合焊盘(未示出)以传统方式与电极34、36互连。
磁致伸缩层33通常是所述堆叠的一个单一层。此单一层33可以包括一个单一区或区域(如在图12中示出的)，或者如将在讨论图13和图14时进一步解释的，可以包括至少两个分离的区或区域。ME堆叠可以被另一个PDMS层(在图3中未示出)完全覆盖，从而确保与封装体应力解耦。可替代地，ME堆叠可以在其表面的主要部分处被弹性体层92部分覆盖，但是如在图9和图10中进一步解释的，可以在特定位置处与芯片封装体(例如，与模制化合物93)直接接触。如稍后在图16中所解释的，使用分离的结构可以允许减小或拒绝封装体应力和/或热应力。
图4示出了材料堆叠350，其与图3的材料堆叠类似，区别在于电极34、36被定位在磁致伸缩层33的相反侧上之外。或者换而言之，磁致伸缩层33被定位在这两个电极层34、36之间，但是磁电式堆叠的工作原理相同：当磁场被施加时，通过磁致伸缩与压电层之间的交互在电极上产生电压，并且当磁场被去除或消失时，电压也消失。此电压用于断开或闭合开关SW1，从而产生“无源磁性开关”。
图5示出了材料堆叠400，其与图3的材料堆叠类似，区别在于省略了磁致伸缩层33与压电层35之间的第二电极层34，并且磁致伸缩层34本身是导电的并且充当第二电极之外。以上针对堆叠300所描述的任何其他事物在此同样适用。相比于图3的堆叠300和图4的堆叠350，更容易生产堆叠400。磁致伸缩层的适当材料为例如：NiFe、FeTb、FeGa、terfenol、FeCo。
图6示出了当在俯视图中看时具有矩形形状的磁致伸缩层33的示例。在本文中，此矩形还被称为“磁致伸缩元件”33。
图6(a)示出了甚至是在不存在外部磁场B外部的情况下，磁致伸缩元件沿着X轴具有择优磁化。这种行为不是自动获得的，而是可以通过在生产阶段期间在存在被定向为与X轴平行的恒定磁场的情况下对磁致伸缩材料进行退火(见图21中的步骤1906和/或步骤1923)来产生。
优选地，长度L1与宽度W1之比为在从2到200的范围内的值，例如，在从2到20的范围内的值，例如，等于约5或者等于约10。
图6(b)示出了在存在如可以例如通过使永磁体靠近ME堆叠来实现的外部磁场B外部的情况下图6(a)的磁致伸缩元件33，所述外部磁场在Y方向上定向或者至少沿着Y轴具有非零分量。假设磁致伸缩为负，则这种靠近使磁致伸缩元件33沿着Y轴收缩，并且材料沿着X轴膨胀且在Z轴上收缩。在X和Y方向上的主要效应是由磁致伸缩效应引起的。
图7以侧视图示出了图6的磁致伸缩元件33，所述磁致伸缩元件在顶部具有相同长度和宽度的压电元件35和电极36，从而形成压电式元件73a。在此示例中，假设磁致伸缩材料是导电的，并且层33a是导电的，因此还充当第二电极。否则，如在图5中所解释的，还可以添加第二电极层(未示出)。
图7(a)示出了在不存在磁场B外部的情况下的磁致伸缩堆叠73a。
图7(b)示出了在存在沿着Y轴具有分量的磁场的情况下图7(a)的堆叠，所述磁场使磁致伸缩材料33b沿着Y轴收缩，进一步使安装于磁致伸缩材料上且紧密连接至磁致伸缩材料的压电元件35b在Y方向上收缩。这种机械变形使得在电极之间产生电压。
在图6和图7的示例中，使用了具有负磁致伸缩的磁致伸缩材料，在Y方向上具有分量的磁场将在Y方向上引起收缩且在X方向上引起膨胀。相比而言，如果使用了具有正磁致伸缩的磁致伸缩材料，则在Y方向上具有分量的磁场将在Y方向上引起膨胀且在X方向上引起收缩，但是在两种情况下，压电层都将产生电压。
图8示出了图6(a)的结构的变体，其中，磁致伸缩元件33具有U形形状或桥形形状，并且其中，磁致伸缩层的相反侧直接连接至衬底37以便阻止或至少减小Y方向上的机械收缩。在图6和图7中，解释了磁致伸缩层倾向于在存在磁场的情况下收缩，但是由于固定，其被阻止收缩(如通过“L2＝L1”所指示的)。发现这种固定对FET的栅极引起甚至较大的电荷以及因此甚至较大电压，这对于降低开关SW1的电阻而言是有益的。换言之，固定增强了电荷产生效应。
换言之，图8的磁致伸缩带33是细长带，所述细长带在相反端处以非弹性方式固定到衬底37上。为了说明性目的，磁致伸缩带33与衬底直接接触的位置在图8(a)中通过粗黑线指示。这种非对称连接具有的效果为：由于Y方向上的材料运动受限，所以在Y方向上出现拉伸应力(当施加磁场时)，所述拉伸应力使磁致伸缩层33的厚度(以及宽度)减小并且使极化在压电层上出现。应当指出的是，为了说明性目的，在图8中未明确示出(多个)电极层，以免使附图过载，而是以便突显磁致伸缩层33被固定或弹性安装的位置。本领域的读者将理解，压电层以如图3和图4中所示出的类似方式与磁致伸缩层33紧密接触。因为生长了压电层，所以晶体的轴线优选地尽可能指向垂直于(多个)电极的极化轴线。
图9(a)示出了图8的结构的变体，其中，磁致伸缩带33同样在其两端固定至例如由塑料模制化合物制成的封装体93而不是固定至衬底。当然，还将有可能将磁致伸缩带33连接至衬底和封装体两者。此处，同样产生了如以上(在图8中)所描述的相同效果。
同样，在图9中，未示出堆叠的所有层，例如，(多个)电极层。
图9(b)示出了在不存在模制化合物93的情况下如在由箭头“A”所指示的方向上所看到的图9(a)结构的视图。仅为了说明性目的，磁致伸缩材料与模制化合物之间的接触区域在图9(a)中由两条黑线指示并且在图9(b)中由两个黑色表面指示。
图10是图9的结构的变体，其中，磁致伸缩层和压电层的位置被交换，并且其中，压电层固定至模具。
图11是图8的结构的另一种变体，其中，刚性的细长元件(不同于衬底且不同于封装体)机械连接至磁致伸缩带，例如，沉积到磁致伸缩带上。“刚性”意味着细长元件的弹性模量至少为高于磁致伸缩材料的弹性模量的1.20倍，例如，至少为1.50倍或至少为2.0倍。这具有的效果是：所述结构在细长元件的纵向方向上具有较高机械刚度(即，具有较高杨氏模量)并且在横向方向上具有较小机械刚度(即，具有较小弹性模量)。细长材料可以例如由从由铜、金、铂、钼、镍组成的组中选择的材料制成，但是本发明不限于此，并且可以使用其他适当的金属或金属合金，或甚至压电材料本身，条件是压电材料具有比磁致伸缩材料更高的刚度。
在图11的变体中，“刚性元件”是衬底37的一个小区域，所述小区域可以通过以下方式来制作：在弹性体层32顶部上沉积磁致伸缩材料之前，在弹性体层中形成细长开口。在这种情况下，可以省略位于磁致伸缩层33的相反侧上的刚性元件104。
在图11的又另一种变体中，不仅存在刚性的细长元件104，而且磁致伸缩层33通过相对较窄的细长区域与衬底37直接接触。这甚至更多地减小了Y方向上的材料运动。
图12示出了如可以在本发明的实施例中使用的无源磁电式换能器结构“ME1”的示例，所述无源磁电式换能器结构包括多个“N”磁电式矩形元件1101、1102等。磁电式元件串联电连接(即，一个元件的第一电极36连接至相邻元件的第二电极34，等等)以便形成链。由此获得的在节点N1与N2之间的总电压基本上等于元件数N乘以单独的电压。以此方式，开关SW1的栅极电压可以进一步增大。
图13示出了器件1200的示例，所述器件包括：
-衬底37，所述衬底可以进一步包括半导体开关(未明确示出)，但所述半导体开关不是绝对需要的，并且所述开关还可以被定位在另一个裸片上，而所述裸片也是半导体器件的一部分；
-第一无源磁电式换能器结构ME1，如像图12中所示出的无源磁电式换能器结构，包括沿着X轴具有择优磁化的磁致伸缩材料33x，并且包括串联连接且在Y方向上延伸的至少一个(优选地，多个)压电元件1201、1202，所述压电元件用于当在Y方向上具有场分量的磁场正在靠近或接近器件1200时在所述器件的节点N1与N2上提供第一电压差ΔV1；
-第二无源磁电式换能器结构ME2，类似于图12中所示出的无源磁电式换能器结构，但包括沿着Y轴具有择优磁化的磁致伸缩材料33y，并且包括串联连接且在X方向上延伸的至少一个(优选地，多个)压电元件1203、1204，所述压电元件用于当在Y方向上具有场分量的磁场正在靠近或接近器件1200时在所述器件的节点N3与N4上提供第二电压差ΔV2；
以及附加电路系统(在图13中未示出，但见例如图15至图20)，所述附加电路系统用于组合电压信号ΔV1、ΔV2并且用于将所述电压信号路由至开关(例如，半导体开关)的控制端子，例如，路由至FET的栅极。
当在单个裸片上实现时，可以例如通过旋转磁场退火来在X方向上使ME1磁化并且在Y方向上使ME2磁化，在旋转磁场退火时，磁化将达到最长的方向。另一种解决方案是在存在相对于X轴和Y轴被定向为45°的磁场的情况下进行退火。又另一种解决方案是在不同裸片上实现第一和第二磁电式结构ME1和ME2并且对所述结构进行组合。
尽管以90°示出了结构33x和33y，但是这不是绝对需要的，并且还可以使用在从45°到135°或从75°到105°的范围内的另一个角度。
为了完整性起见，提及的是，可以例如通过在退火之前或期间应用聚磁器来实现这种小尺度的磁化，所述聚磁器事后被剥离。可替代地，可以在旋转磁场中执行退火，在这种情况下，感生磁化将沿着结构的长侧，这是因为在退火期间，磁化将趋向于长轴线。
图14示出了无源磁电式换能器结构ME3的另一个示例，所述无源磁电式换能器结构可以被视为图12的磁电式换能器结构的变体，但是使用了如关于图11而讨论和展示的一个或多个被定位在磁致伸缩层33的顶部上或在其下方但与所述磁致伸缩层直接机械接触的“刚性的细长元件”。
图15是器件1400的示例性框图，所述器件包括例如图13中所示出的第一和第二换能器结构，这些换能器结构由包括与电容C1、C2串联的电压源ΔV1、ΔV2的其等效电路表示，所述电容与以小距离安排的第一和第二电极36、34相关。在所述图中，提供了指示“(Bx)”和“(By)”以便指示每个“电压源”对哪个磁场分量灵敏。如可以看到的，器件1400进一步包括被安排成充当整流器电路的四个二极管D1至D4。这四个二极管优选地被嵌入在同一衬底(例如，CMOS衬底)中，FET优选地被嵌入到所述衬底中。
图16示出了器件1500的框图，所述器件可以被视为图15的电路的变体，进一步包括用于有意地对第一和第二磁电式换能器结构ME1、ME2进行放电的两个电阻器R1、R2。如本领域中已知的，根据时间常数τ＝R x C，电容C和电阻R的并联连接以指数的方式进行放电。当对R1和R2选择相对较小的值时，由正靠近的磁体产生的(多个)电压信号将非常快速地消散，因此开关SW1将仅在相对较短的时期内断开。当对R1和R2选择相对较大的值时，由正靠近的磁体产生的电压信号将在较长时间内保持存在，从而使得开关SW1将在较长时间内闭合。本领域技术人员可以根据应用而找到R1和R2的适当值。
例如，如果图16的电路被用作用于应用的无源“唤醒电路”，所述唤醒电路例如仅在第一开关SW1闭合时例如从外部电源(例如，从电池(未示出))获得电力，则所述应用可以例如经由另一个开关(未示出)提供附加电路系统以便“接替”，从而使得实际电路接收充足的电力以便进行其任务。当应用的任务完成时，应用可以例如断开其局部开关，并且等待直到其下一次被图16中所示出的电路唤醒。
图17示出了器件1600的框图，所述器件可以被视为图16的电路的变体，所述器件不包括R1和R2，而相反包括R3。电阻器R3连接在第一磁电式换能器ME1的节点Nb与第二磁电式换能器ME2的节点Nd之间，并且同样被提供用于对电路进行放电的目的。再次，根据R3的值，可以相对快或相对慢地发生放电。本领域技术人员可以根据应用而找到R3的适当值。
在图15至图17的器件1400、1500、1600中的每个器件中，节点Na与Nc是互连的并且可选地(但不必)连接至节点N1。如图18中所示出的，节点Na和Nc还可以彼此连接，但保持浮置。保持浮置提供了温度补偿的优点，因为两个电压源都将由于温度变化而提供相同或相似的电荷增加。
返回参照图18，除了示出节点Na和Nc可以保持浮置之外，图18还示出了器件1700的框图，所述器件进一步包括状态机1721和第二开关SW2以及可选的进一步电阻器1722、1723。
此图的一个目的是示出节点Na和Nc不需要一定直接连接至开关SW1的源极或漏极，并且将这些节点连接在一起是足够的，只是使其保持浮置。
此图的另一个目的是示出有可能例如借助于状态机1721和第二开关SW2来明确地“重置”第一开关SW1。状态机1721可以例如实现在活动时以预定义时钟频率进行计数的递减计数器，并且可以被适配成被预设且被适配用于当电路1721在第一开关SW1闭合时而唤醒时使开关SW2保持断开，并且可以被适配用于随后进行向下计数并且用于在计数器达到预定值(例如，零)时闭合开关SW2，由此将第一开关SW1的栅极“G”连接至第一开关SW1的源极“S”从而断开开关SW1。以此方式，开关SW1可以在闭合之后断开预定义时间，而无需依赖于RC常数。当开关SW2闭合时，磁电式堆叠的电容器C1和C2也被放电。电阻器R3是可选的。
如果不需要温度补偿，则还可以使用如图19中所示出的包括单个磁电式结构ME的结构。
图20示出了图19的电路的变体，具有两个附加二极管。
图21是流程图，展示了制作根据本发明所述的器件的方法1900。所述方法包括三组步骤。
第一组步骤(组1900A)包括以下步骤：
-提供1901包括硅氧化物层32的第一硅衬底31。如众所周知的，硅衬底自动氧化，因此，不需要专门动作来提供氧化物层；
-例如通过溅射Pt或Mo来在硅氧化物层32顶部上提供1902第一电极36；
-例如通过溅射AlN来在第一电极36顶部上提供1903压电层35；
-可选地，例如通过溅射Mo来在压电层顶部上提供1904第二电极34；
-例如通过溅射FeGa或FeCo来在第二电极34顶部上或直接在压电层35顶部上提供1905磁致伸缩层33。
图22(b)示出了通过此步骤序列生产的堆叠2000A的示例。
方法1900可以进一步包括可选步骤1906：在存在被定向在X轴中的恒定磁场的情况下对堆叠2000A进行退火。
方法1900可以进一步包括可选步骤1907：使用弹性体来涂覆所述堆叠。可以在接合之后对所述堆叠进行进一步成形或构造。
第二组步骤(组1900B)包括以下步骤：
-提供1910第二硅衬底37，例如，包括FET(例如，MOSFET)的CMOS衬底，所述第二硅衬底包括至少一个开关SW1并且可选地进一步包括更多个嵌入式电阻器和/或嵌入式二极管，并且可选地进一步包括例如如在图15至图20中所讨论的附加电路系统；
-以及在第二硅衬底顶部上提供弹性体层38(例如，PDMS或聚酰亚胺层)的可选步骤1911。
图22(d)示出了通过此步骤序列生产的衬底2000B的示例。
第三组步骤(组1900C)包括以下步骤：
-翻转1920第一衬底2000A并且借助于一个或多个弹性体层将第一衬底2000A接合到第二衬底2000B上，其方式为使得第一衬底2000A的磁电层33面向第二衬底2000B的弹性体层38；
-例如借助于蚀刻来去除1921硅31和硅氧化物32；
-将第一衬底2000A的节点N1、N2以及可选地还有N3、N4直接或间接(但以功能性方式)电连接至嵌入在第二衬底2000B中的开关SW1的至少一个端子；
-以及在存在恒定磁场的情况下对所述堆叠进行退火的可选步骤1923。
图22(e)和图22(f)展示了这些步骤的结果。
可以存在退火步骤1906和/或1923中的一者或两者。
需要涂覆步骤1907和/或1911中的至少一者。
方法1900可以进一步包括以下步骤中的一个或多个步骤：
i)对顶部电极进行成形或构造，
ii)对压电层和磁致伸缩层进行成形或构造，
iii)对底部电极进行成形或构造，
iv)沉积互连/接合焊盘金属，
v)对金属进行成形或构造。
图23示出了在其中开关(例如，FET)和磁电式换能器结构被集成到单个衬底上的结构。
如可以看到的，此器件2100包括：衬底37；
弹性体层38，位于所述衬底顶部上；
第二电极34，位于所述弹性体层38顶部上，由n-GaN沟道制成；
压电层，所述压电层在本示例中包括AlGaN；
第一电极36，位于所述压电层35顶部上，由p-GaN沟道制成；
以及磁致伸缩层33，由CoFe制成，优选地，50％Co和50％Fe。
可选地，可以在整个结构顶部上沉积另一个弹性体层以便减小封装应力。

Claims (16)

1.一种半导体器件，包括：
-无源磁电式换能器结构(ME1)，被适配用于通过由磁场引起的机械应力来产生电荷。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，
-进一步包括半导体开关(SW1)，所述半导体开关(SW1)电连接至所述无源磁电式换能器结构(ME1)，所述开关(SW1)具有第一端子(21)和第二端子(22)以及控制端子(23)，所述开关(SW1)被适配用于根据在所述控制端子(23)处呈现的信号来选择性地将所述开关(SW1)的第一端子(21)和第二端子进行电连接和断开连接；
-所述无源磁电式换能器结构(ME1)具有电连接至所述开关(SW1)的所述控制端子(23)的第一端子(11)，并且具有电连接至所述开关(SW1)的所述第一端子(21)的第二端子(12)，并且被适配用于断开或闭合所述开关(SW1)。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，
其中，所述半导体开关(SW1)是具有作为所述控制端子(23)的栅极(G)、以及作为所述第一端子(21)的源极(S)以及作为所述第二端子(22)的漏极(D)的场效应晶体管；
或者其中，所述半导体开关(SW1)是具有作为所述控制端子(23)的栅极(G)、以及作为所述第二端子(22)的源极(S)以及作为所述第一端子(21)的漏极(D)的场效应晶体管。
4.根据以上权利要求中任一项所述的半导体器件，
其中，所述磁电式换能器结构(ME1)被安装到衬底(37)上或者被安排在封装体内部，其方式为使得所述磁电式换能器结构在第一方向(X)上具有第一刚度或第一弹性模量(E1)，并且在垂直于所述第一方向的第二方向(Y)上具有不同于所述第一刚度或第一弹性模量的第二刚度或第二弹性模量(E2)。
5.根据以上权利要求中任一项所述的半导体器件，
-其中，所述磁电式换能器结构(ME1)在所述磁电式换能器结构(ME1)的表面区域的主要部分上借助于弹性连接、并且在所述磁电式换能器结构(ME1)的表面区域的次要部分上借助于具有至少2.0的长宽比的细长带被连接至衬底；
-和/或其中，所述磁电式换能器结构(ME1)在所述换能器结构的中心部分上被柔性地安装到衬底并且在至少两个不同位置处被固定地连接至所述衬底，以便在磁场被施加时减小所述换能器结构在这些位置之间的机械膨胀或收缩；
-和/或其中，所述磁电式换能器结构(ME1)在所述换能器结构的中心部分上被柔性地安装到封装体并且在至少两个不同位置处被固定地连接至所述封装体，以便在磁场被施加时减小所述换能器结构在这些位置之间的机械膨胀或收缩；
-和/或其中，所述半导体器件进一步包括细长元件，所述细长元件的刚度或弹性模量高于所述磁电式换能器结构(ME)的刚度或弹性模量，所述细长元件在至少两个不同位置处被安装到所述换能器结构(ME)，以便在磁场被施加时减小所述换能器结构在这些位置之间的机械膨胀或收缩。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体器件，
其中，所述无源磁电式换能器结构(ME1)包括磁致伸缩层(33)，所述磁致伸缩层紧密地机械耦合到压电层或压电元件(35)，
并且可选地，其中，所述压电层或压电元件(35)包括从由AlN、ZnO、AlScN、PZT和AlGaN组成的组中选择的压电材料；
并且可选地，其中，所述压电层(35)包括细长元件，所述细长元件的刚度或弹性模量高于所述磁电式换能器结构(ME)的刚度或弹性模量，以便在磁场被施加时减小所述压电层在所述细长元件的纵向方向上的机械膨胀或收缩；
并且可选地，其中，所述磁致伸缩层(33)包括从由FeGa、FeCo、FeTb、FeCoSiB和FeCoB组成的组中选择的磁致伸缩材料。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体器件，
其中，所述无源磁电式换能器结构(ME1)包括具有嵌入的磁致伸缩粉末的压电膜。
8.根据权利要求6或7所述的半导体器件，
并且当从属于权利要求6时，其中，所述磁致伸缩材料在不存在外部磁场(B外部)的情况下沿着第一轴线(X)具有择优磁化，
并且当从属于权利要求7时，其中，所述具有嵌入的磁致伸缩粉末的压电膜在不存在外部磁场(B外部)的情况下沿着第一轴线(X)具有择优磁化。
9.根据以上权利要求中任一项所述的半导体器件，
其中，所述无源磁电式换能器结构(ME1)包括被串联电连接且被定向为彼此平行的多个、至少两个压电元件(35a，35b)。
10.根据以上权利要求中任一项所述的半导体器件，
进一步包括第二无源磁电式换能器结构(ME2)，所述第二无源磁电式换能器结构(ME2)包括紧密地机械耦合到至少一个第二压电元件(35y)的第二磁致伸缩层(33y)，所述第二磁致伸缩层(33y)包括第二磁致伸缩材料；
其中，所述第二磁致伸缩材料在不存在外部磁场的情况下沿着不同于所述第一轴线(X)的第二轴线(Y)具有择优磁化。
11.根据以上权利要求中任一项所述的半导体器件，
包括第一磁电式堆叠，所述第一磁电式堆叠包括具有正磁致伸缩的第一磁致伸缩材料，并且
包括第二磁电式堆叠，所述第二磁电式堆叠包括具有负磁致伸缩的第二磁致伸缩材料，并且
所述第一磁电式堆叠和所述第二磁电式堆叠串联连接并且被定向为具有不同的最大灵敏度方向。
12.根据以上权利要求中任一项所述的半导体器件，
其中，所述第二无源磁致伸缩换能器结构(ME2)包括串联电连接的多个、至少两个压电元件(1203，1204)，这些压电元件(1203，1204)中的每个压电元件紧密地机械耦合到所述第二磁致伸缩层(33y)并且被定向为相对于彼此平行，以便提供第二电压信号(V2)；
并且其中，所述器件进一步包括无源电路(D1-D4)，所述无源电路(D1-D4)用于产生第一控制信号(ΔV1)与第二控制信号(ΔV2)之间的差分信号。
13.根据以上权利要求中任一项所述的半导体器件，并且从属于权利要求2，
其中，所述第一开关(SW1)被嵌入在半导体衬底(31)中；并且
其中，所述衬底(31)进一步包括弹性体层(32)；并且
其中，所述无源磁电式换能器结构(ME1)被安装到所述弹性体层(32)，使得所述磁致伸缩层(33)面向所述弹性体层(32)。
14.一种生产根据以上权利要求中任一项所述的半导体器件的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供(1901)硅衬底(31)，所述硅衬底(31)包括在所述硅衬底(31)顶部上的氧化物层；
-在所述氧化物层(32)顶部上提供(1902)第一电极层(36)；
-提供压电和磁致伸缩层或结构(34，35)；
-可选地，在存在恒定磁场的情况下对所述第一衬底进行退火(1906)；
-提供(1910)包括至少一个半导体开关(SW1)的第二衬底(37)，所述至少一个半导体开关具有第一端子(21)和第二端子(22)以及控制端子(23)；
-在所述第二衬底(37)顶部上提供弹性体层(38)；
-将所述第一衬底(31)安装到所述第二衬底(37)，使得所述压电和磁致伸缩层或结构(34，35)面向所述弹性体层(38)；
-去除所述第一衬底的所述硅和所述硅氧化物层(31，32)；
-将所述第一电极(36)电连接至所述开关(SW1)的所述第一端子(21)，并且将所述第二电极(34)电连接至所述开关(SW1)的所述控制端子(23)。
15.如权利要求14所述的方法，
其中，提供所述压电和磁致伸缩层或结构(34，35)的步骤包括以下步骤：
i)在所述第一电极层(36)顶部上提供(1903)压电层(35)；
ii)可选地，在所述压电层(35)顶部上提供(1904)第二电极层；
iii)在所述第二电极顶部上或直接在所述压电层(35)顶部上提供(1905)磁致伸缩层(34)，
或者其中，提供所述压电和磁致伸缩层或结构(34，35)的步骤包括以下步骤：
iv)在所述第一电极层(36)顶部上提供包括磁致伸缩粉末的压电层。
16.如权利要求1至13中任一项所述的无源磁电式换能器结构(ME1)用于产生控制信号的用途，所述控制信号用于在不需要外部电源的情况下断开或闭合集成半导体开关(SW1)。
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