CN109273592A - 一种双三孔垂直霍尔器件结构及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种双三孔垂直霍尔器件结构及设计方法，霍尔器件结构以两个相同且并排设置的三孔垂直霍尔器件形成轴对称结构；左右两个三孔垂直霍尔器件之间设有隔离结构；两个三孔垂直霍尔器件的N阱彼此相互独立且位于同一水平面；所述N阱上设有三个顺序平行排列的N+区形成三孔结构，三个N+区上均连有接触电极；两个三孔垂直霍尔器件以其边缘处的接触电极经导线相连形成组合体；本发明以两个互为镜像的三孔结构形成对称结构，四个状态下的电流流径对称，有利于使用旋转电路降低失调电压，同时接触电极采用非等间距的设计，在接触电极之间设置P+区优化载流子的分布情况，避免短路效应，器件采用高压工艺制备使之具备较深N阱以改善器件的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及电子元件技术领域，尤其是一种双三孔垂直霍尔器件结构及设计方法。
背景技术
目前，垂直霍尔器件主要采用五孔结构设计，即在N阱上制备五个N+区及其对应的接触电极，包括一组偏置电极和一组霍尔电极。在施加偏置电压和磁场的情况下，由两个霍尔电极输出霍尔电压。五孔结构对称，初始失调较低，但是，当运用旋转电流法时，将在其余相位产生较大的失调电压，影响后端的信号处理。基于五孔结构，通过去除其中的一个接触电极，出现了四孔结构。该结构在旋转电流法的运用时，不同相位的情况下电流流径对称，可降低此时的失调电压，但是在每一个相位中，自身的电流流径不对称，因此初始失调较大。为了降低初始失调，出现了六孔结构，即在四孔结构的外侧制备两个接触电极并将其短接，将有部分偏置电流从中流过，进而调整两个霍尔电极上所获得的电压，但是这两个接触电极的位置，尺寸及其对器件整体的影响难以量化确定，给研发过程增大难度，同时，该结构本身的电流流径不对称，同样存在初始失调较大的问题。
发明内容
本发明提出一种双三孔垂直霍尔器件结构及设计方法，以两个互为镜像的三孔结构形成对称结构，四个状态下的电流流径对称，有利于使用旋转电路降低失调电压，同时接触电极采用非等间距的设计，在接触电极之间设置P+区优化载流子的分布情况，避免短路效应，器件采用高压工艺制备使之具备较深N阱以改善器件的灵敏度。
本发明采用以下技术方案。
一种双三孔垂直霍尔器件结构，所述霍尔器件结构以两个相同且并排设置的三孔垂直霍尔器件形成轴对称结构；左右两个三孔垂直霍尔器件之间设有隔离结构；两个三孔垂直霍尔器件的N阱彼此相互独立且位于同一水平面；所述N阱上设有三个顺序平行排列的N+区形成三孔结构，三个N+区上均连有接触电极；两个三孔垂直霍尔器件以其边缘处的接触电极经导线相连形成组合体。
所述N+呈矩形条状；在每个三孔垂直霍尔器件的N阱上，用于分隔相邻N+ 区的各个分隔区的宽度不相等。
每个分隔区处均设有一个P+区；所述P+区用于中和表面载流子浓度及优化载流子的分布情况以避免短路效应。
所述三孔垂直霍尔器件以高压工艺制备以加大N阱区深度。
所述接触电极的宽度为0.5um；在三孔垂直霍尔器件中，最外侧两个接触电极的间距为2.8um，中间接触电极距最近的侧边接触电极的距离为0.8um。
每个三孔垂直霍尔器件包括两个P+区，两个P+区的宽度分别为1.4um和 0.4um。
所述双三孔垂直霍尔器件结构的工作方式包括以下方式；
S1、在最外侧的两个接触电极施加偏置电压，偏置电流分别由两个三孔结构的最外侧电流流向最内侧电极，未施加磁场时，两个霍尔电极Vh+，Vh-分别获得一个电压值且理想状态下大小相等；当施加一个方向向内的磁场时，电子受洛伦磁力的影响发生偏转，左侧器件的霍尔电极Vh+处获得的电子数量具备增大的趋势，右侧器件的霍尔电极Vh-处则相反，两个电极之间的压差即为该相位下的霍尔电压；
S2、偏置电压由右侧器件的中间接触电极输入，通过外部导线，由左侧器件的中间电极输出，施加方向向内的磁场时，右侧器件的霍尔电极Vh+处获得的电子数量具备增大的趋势，霍尔电极Vh-处则相反，产生霍尔电压。
一种双三孔垂直霍尔器件结构设计方法，所述的一种双三孔垂直霍尔器件结构，其设计方法基于保角映射原理，通过保角映射把有限阱深的霍尔器件变换至 Z平面以进行性能分析；分别对两个三孔垂直霍尔器件进行展开；保角映射的分析过程包括以下步骤；
A1、在偏置电流输出的接触电极的中点处分别建立坐标系，把N阱变换到 W平面的下半平面；对各个电极和N阱的边界点进行采样；
A2、以公式对采样点进行归一化处理；设w7、w6分别为采样点t7和t6到W平面的映射；w为变量，分别带入w1，w2，······w14，获得归一化结果W1，W2，······W14；
A3、以Schwarz-Christoffel变换，将W半平面和各个采样点映射到Z平面上，设Z2和Z3所处的边对应于左侧霍尔器件结构的偏置电流输入的接触电极，在Z平面中，偏置电流同样由该边流入；Z6和Z7所处的边对应于偏置电流输出的接触电极，同理，偏置电流由该边流出，电流方向平行于斜边，形成平行四边形的结构，平行四边形的倾斜角取决于霍尔角；接触电极分别对应平行四边形斜边上的点；以Z5为例，|Z5-Z6|的大小正比于该点所获得的电位，两组点之间的高度差正比于点位所获得的电位，反应了霍尔器件的各项性能；
考虑到两侧器件的变换结构，则整体双三孔垂直的几何因子为：
其中，Z5，Z6，Z7分别对应左侧三孔器件在W平面的点W5，W6和W7到Z平面的映射，Z5'和Z6'分别对应右侧三孔器件在W平面的点W5'和W6'到Z平面的映射；β为霍尔角；
然后可得电流灵敏度SI和电压灵敏度SV；
其中，G为上述计算所得的器件几何因子；t为器件厚度，单位为um；rh为霍尔因子，室温下取值约为1.1；ND为载流子密度；q为单个载流子的电荷量；Rin为该器件的等效输入电阻。
在制备霍尔器件结构时，采用高压CMOS工艺以加大垂直霍尔结构的阱深。
在制备霍尔器件结构时，以硅材料进行高浓度离子注入的方法在接触电极下方制备重掺杂的N区，形成金属特性的对接区以使N+区与接触电极对接。
本发明提出了一种双三孔的垂直霍尔器件结构，利用保角映射技术分析该结构中的各项尺寸参数、工艺、掺杂浓度等对器件性能产生的影响，根据分析结果对原始结构进行改进，相比传统的五孔或四孔结构，具备了更低的失调电压，良好的适用于旋转电流电路，同时改善了器件的灵敏度。本发明可在多种霍尔开关，线性霍尔传感器，三维霍尔传感器中取代传统霍尔器件，以得到更好的磁场侦测效果。
本发明中，两个三孔结构互为镜像，则器件整体结构完全对称，有利于降低初始失调；在旋转电流法运用时，四个状态下的电流流径对称，有利于降低该情况下的失调电压。在单个霍尔器件中，接触电极采用非等间距的设计，同时在接触电极之间设置P+区，中和器件表面载流子浓度，优化载流子的分布情况，避免短路效应。此外，器件采用高压工艺制备，具备较深N阱，可使电流流向器件更深处，改善器件的灵敏度。
本发明中，器件结构设计对称，使得初始失调低(图2、3所示)，霍尔器件的后端设有用于消除霍尔器件输出中的失调电压的旋转电流电路，即使如图4、 5所示，发生相位翻转后失调电压有所增大，但是由于电流流径对称，失调电压的大小相同，相位相反，可由旋转电流电路良好的去除，适配度高；因此本发明具有较低的失调电压，且单个相位下最大值不超过1.2mv。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的示意图；
附图2是本发明的phase1工况下的电流流径示意图；
附图3是本发明的phase2工况下的电流流径示意图；
附图4是本发明的phase3工况下的电流流径示意图；
附图5是本发明的phase4工况下的电流流径示意图；
附图6是设计过程中器件结构的保角映射展开图；
附图7是设计过程中器件结构的保角映射结果图；
图中：1-三孔垂直霍尔器件；2-N+区；3-P+区；4-导线；5-接触电极。
具体实施方式
如图1-5所示，一种双三孔垂直霍尔器件结构，所述霍尔器件结构以两个相同且并排设置的三孔垂直霍尔器件1形成轴对称结构；左右两个三孔垂直霍尔器件之间设有隔离结构；两个三孔垂直霍尔器件的N阱彼此相互独立且位于同一水平面；所述N阱上设有三个顺序平行排列的N+区2形成三孔结构，三个N+ 区上均连有接触电极5；两个三孔垂直霍尔器件以其边缘处的接触电极经导线4 相连形成组合体。
所述N+呈矩形条状；在每个三孔垂直霍尔器件的N阱上，用于分隔相邻N+ 区的各个分隔区的宽度不相等。
每个分隔区处均设有一个P+区3；所述P+区用于中和表面载流子浓度及优化载流子的分布情况以避免短路效应。
所述三孔垂直霍尔器件以高压工艺制备以加大N阱区深度。
所述接触电极的宽度为0.5um；在三孔垂直霍尔器件中，最外侧两个接触电极的间距为2.8um，中间接触电极距最近的侧边接触电极的距离为0.8um。
每个三孔垂直霍尔器件包括两个P+区，两个P+区的宽度分别为1.4um和 0.4um。
所述双三孔垂直霍尔器件结构的工作方式包括以下方式；
S1、在最外侧的两个接触电极施加偏置电压，偏置电流分别由两个三孔结构的最外侧电流流向最内侧电极，未施加磁场时，两个霍尔电极Vh+，Vh-分别获得一个电压值且理想状态下大小相等；当施加一个方向向内的磁场时，电子受洛伦磁力的影响发生偏转，左侧器件的霍尔电极Vh+处获得的电子数量具备增大的趋势，右侧器件的霍尔电极Vh-处则相反，两个电极之间的压差即为该相位下的霍尔电压；
S2、偏置电压由右侧器件的中间接触电极输入，通过外部导线，由左侧器件的中间电极输出，施加方向向内的磁场时，右侧器件的霍尔电极Vh+处获得的电子数量具备增大的趋势，霍尔电极Vh-处则相反，产生霍尔电压。
一种双三孔垂直霍尔器件结构设计方法，所述的一种双三孔垂直霍尔器件结构，其设计方法基于保角映射原理，通过保角映射把有限阱深的霍尔器件变换至 Z平面以进行性能分析；分别对两个三孔垂直霍尔器件进行展开；保角映射的分析过程包括以下步骤；
A1、在偏置电流输出的接触电极的中点处分别建立坐标系，把N阱变换到 W平面的下半平面；对各个电极和N阱的边界点进行采样；
A2、以公式对采样点进行归一化处理；设w7、w6分别为采样点t7和t6到W平面的映射；w为变量，分别带入w1，w2，······w14，获得归一化结果W1，W2，······W14；
A3、以Schwarz-Christoffel变换，将W半平面和各个采样点映射到Z平面上，设Z2和Z3所处的边对应于左侧霍尔器件结构的偏置电流输入的接触电极，在Z平面中，偏置电流同样由该边流入；Z6和Z7所处的边对应于偏置电流输出的接触电极，同理，偏置电流由该边流出，电流方向平行于斜边，形成平行四边形的结构，平行四边形的倾斜角取决于霍尔角；接触电极分别对应平行四边形斜边上的点；以Z5为例，|Z5-Z6|的大小正比于该点所获得的电位，两组点之间的高度差正比于点位所获得的电位，反应了霍尔器件的各项性能；
考虑到两侧器件的变换结构，则整体双三孔垂直的几何因子为：
其中，Z5，Z6，Z7分别对应左侧三孔器件在W平面的点W5，W6和W7到Z平面的映射，Z5'和Z6'分别对应右侧三孔器件在W平面的点W5'和W6'到Z平面的映射；β为霍尔角；
然后可得电流灵敏度SI和电压灵敏度SV；
其中，G为上述计算所得的器件几何因子；t为器件厚度，单位为um；rh为霍尔因子，室温下取值约为1.1；ND为载流子密度；q为单个载流子的电荷量；Rin为该器件的等效输入电阻。
在制备霍尔器件结构时，采用高压CMOS工艺以加大垂直霍尔结构的阱深。
在制备霍尔器件结构时，以硅材料进行高浓度离子注入的方法在接触电极下方制备重掺杂的N区，形成金属特性的对接区以使N+区与接触电极对接。
本例中，根据保角映射的分析结果，对于左侧三孔器件，霍尔电极远离偏置输入电极，导致Z5和Z6的间距减小。对于右侧三孔结构，电流方向相反，在同一个磁场下，载流子受到的洛伦茨力也相反，因此其霍尔电极受到的影响与左侧结构出现差异，从数据上看，两个霍尔电极在Z平面的高度差增大，器件整体的几何因子增大。根据上述公式，器件的灵敏度也随之增大。本发明中，最外侧两个接触电极的间距设定为2.8um，中间电极到右侧电极的间距设定为0.8um。同时更小的接触电极尺寸，则更趋近于点接触情况，有利于进一步提高器件的灵敏度，但是存在制备上的困难，此外，还存在与导线对接的问题，因此本发明中，电极的宽度设定为0.5um。
以图2为例，在最外侧的两个电极施加偏置，偏置电流分别由两个三孔结构的最外侧电流流向最内侧电极，未施加磁场时，两个霍尔电极Vh+，Vh-分别获得一个电压值且理想状态下大小相等；施加一个方向向内的磁场时，电子受洛伦磁力的影响发生偏转，左侧器件的霍尔电极Vh+处获得的电子数量具备增大的趋势，右侧器件的霍尔电极Vh-处则相反，两个电极之间的压差即为该相位下的霍尔电压。在图3所示的phase2相位中，偏置由右侧器件的中间电极输入，通过外部导线，由左侧器件的中间电极输出，施加方向向内的磁场时，右侧器件的霍尔电极Vh+处获得的电子数量具备增大的趋势，霍尔电极Vh-处则相反，产生电压差。其余相位同理，phase3的电流流径如图4所示，phase4的电流流径如图5 所示。实际中，未施加磁场的情况下两个霍尔电极处所获得的电压并不相同，其差值即为失调电压，因此在施加磁场后所获得的电压差包括了失调电压和霍尔电压，霍尔电压通常很小，只有微伏量级，而以传统五孔结构为例，失调电压通常达到数毫伏以上，因此增大霍尔电压，即增大器件的灵敏度，以及降低器件的失调电压为霍尔器件研究的主要趋势。
本发明所述霍尔器件的后端通常设计为为旋转电流电路，其目的在于消除霍尔器件输出中的失调电压，通过时序和MOS开关，分别采样得到上述的四个相位电压，其中，phase1和phase3的霍尔电压相同，失调电压极性相反；phase2和phase4 的霍尔电压相同，失调电压极性相反，利用加法器将上述四个采样电压相加即可消除失调并得到四倍的霍尔电压。但若两组极性相反的失调电压，大小不同，则将存在残余失调，影响后方的信号处理。本发明中，器件结构设计对称，使phase1 和phase3状况下失调电压极低，即初始失调低。发生相位翻转后，phase2和 phase4的失调电压有所增大，但是由于电流流径对称，失调电压的大小相同，相位相反，可由旋转电流电路良好的去除，适配度高。因此本发明具有较低的失调电压，且单个相位下最大值不超过1.2mv。
Claims (10)
1.一种双三孔垂直霍尔器件结构，其特征在于：所述霍尔器件结构以两个相同且并排设置的三孔垂直霍尔器件形成轴对称结构；左右两个三孔垂直霍尔器件之间设有隔离结构；两个三孔垂直霍尔器件的N阱彼此相互独立且位于同一水平面；所述N阱上设有三个顺序平行排列的N+区形成三孔结构，三个N+区上均连有接触电极；两个三孔垂直霍尔器件以其边缘处的接触电极经导线相连形成组合体。
2.根据权利要求1所述的一种双三孔垂直霍尔器件结构，其特征在于：所述N+呈矩形条状；在每个三孔垂直霍尔器件的N阱上，用于分隔相邻N+区的各个分隔区的宽度不相等。
3.根据权利要求2所述的一种双三孔垂直霍尔器件结构，其特征在于：每个分隔区处均设有一个P+区；所述P+区用于中和表面载流子浓度及优化载流子的分布情况以避免短路效应。
4.根据权利要求1所述的一种双三孔垂直霍尔器件结构，其特征在于：所述三孔垂直霍尔器件以高压工艺制备以加大N阱区深度。
5.根据权利要求1所述的一种双三孔垂直霍尔器件结构，其特征在于：所述接触电极的宽度为0.5um；在三孔垂直霍尔器件中，最外侧两个接触电极的间距为2.8um，中间接触电极距最近的侧边接触电极的距离为0.8um。
6.根据权利要求2所述的一种双三孔垂直霍尔器件结构，其特征在于：每个三孔垂直霍尔器件包括两个P+区，两个P+区的宽度分别为1.4um和0.4um。
7.根据权利要求3所述的一种双三孔垂直霍尔器件结构，其特征在于：所述双三孔垂直霍尔器件结构的工作方式包括以下方式；
S1、在最外侧的两个接触电极施加偏置电压，偏置电流分别由两个三孔结构的最外侧电流流向最内侧电极，未施加磁场时，两个霍尔电极Vh+，Vh-分别获得一个电压值且理想状态下大小相等；当施加一个方向向内的磁场时，电子受洛伦磁力的影响发生偏转，左侧器件的霍尔电极Vh+处获得的电子数量具备增大的趋势，右侧器件的霍尔电极Vh-处则相反，两个电极之间的压差即为该相位下的霍尔电压；
S2、偏置电压由右侧器件的中间接触电极输入，通过外部导线，由左侧器件的中间电极输出，施加方向向内的磁场时，右侧器件的霍尔电极Vh+处获得的电子数量具备增大的趋势，霍尔电极Vh-处则相反，产生霍尔电压。
8.一种双三孔垂直霍尔器件结构设计方法，其特征在于：根据权利要求2所述的一种双三孔垂直霍尔器件结构，其设计方法基于保角映射原理，通过保角映射把有限阱深的霍尔器件变换至Z平面以进行性能分析；分别对两个三孔垂直霍尔器件进行展开；保角映射的分析过程包括以下步骤；
A1、在偏置电流输出的接触电极的中点处分别建立坐标系，把N阱变换到W平面的下半平面；对各个电极和N阱的边界点进行采样；
A2、以公式对采样点进行归一化处理；设w7、w6分别为采样点t7和t6到W平面的映射；w为变量，分别带入w1，w2，······w14，获得归一化结果W1，W2，······W14；
A3、以Schwarz-Christoffel变换，将W半平面和各个采样点映射到Z平面上，设Z2和Z3所处的边对应于左侧霍尔器件结构的偏置电流输入的接触电极，在Z平面中，偏置电流同样由该边流入；Z6和Z7所处的边对应于偏置电流输出的接触电极，同理，偏置电流由该边流出，电流方向平行于斜边，形成平行四边形的结构，平行四边形的倾斜角取决于霍尔角；接触电极分别对应平行四边形斜边上的点；以Z5为例，|Z5-Z6|的大小正比于该点所获得的电位，两组点之间的高度差正比于点位所获得的电位，反应了霍尔器件的各项性能；
考虑到两侧器件的变换结构，则整体双三孔垂直的几何因子为：
其中，Z5，Z6，Z7分别对应左侧三孔器件在W平面的点W5，W6和W7到Z平面的映射，Z5'和Z6'分别对应右侧三孔器件在W平面的点W5'和W6'到Z平面的映射；β为霍尔角；
然后可得电流灵敏度SI和电压灵敏度SV；
其中，G为上述计算所得的器件几何因子；t为器件厚度，单位为um；rh为霍尔因子，室温下取值约为1.1；ND为载流子密度；q为单个载流子的电荷量；Rin为该器件的等效输入电阻。
9.根据权利要求8所述的一种双三孔垂直霍尔器件结构设计方法，其特征在于：在制备霍尔器件结构时，采用高压CMOS工艺以加大垂直霍尔结构的阱深。
10.根据权利要求9所述的一种双三孔垂直霍尔器件结构设计方法，其特征在于：在制备霍尔器件结构时，以硅材料进行高浓度离子注入的方法在接触电极下方制备重掺杂的N区，形成金属特性的对接区以使N+区与接触电极对接。
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| CN208835094U (zh) * | 2018-11-08 | 2019-05-07 | 福州大学 | 一种双三孔垂直霍尔器件结构 |
-
2018
- 2018-11-08 CN CN201811321983.3A patent/CN109273592B/zh active Active
Patent Citations (4)
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|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109273592B (zh) | 2024-02-09 |
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