CN111682104A - 一种基于平面工艺的异质结三维磁场测量霍尔传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于平面工艺的异质结三维磁场测量霍尔传感器，属于磁测量领域。所述霍尔传感器包括衬底，以及形成于衬底之上、位于中心的正方体结构的中心电极，形成于衬底之上、与中心电极的四个侧面紧密接触的四个相同的十字形磁感应区域，所述十字形磁感应区域包括自下而上依次设置的沟道层、隔离层、帽层和钝化层，隔离层中设置δ掺杂层；十字形磁感应区域中，远离中心电极的末端设置接地电极，接地电极完全覆盖末端表面，两臂的末端设置测量电极，测量电极完全覆盖末端表面。本发明霍尔传感器在不添加其他有源层、仅采用异质结形成一层磁感应区域的前提下，成功实现了X、Y、Z三个方向的磁场感应，并且具有较高的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及磁测量领域，具体涉及一种基于平面工艺的异质结三维磁场测量霍尔传感器。
背景技术
霍尔传感器广泛应用于汽车、生物医学、电子产品等领域，已成为现代产业不可或缺的一部分。随着工业的不断发展，人们对霍尔传感器提出了进一步的要求，不仅需要精确地探测一维磁场，更要实现对三维磁场的精准测量。与一维霍尔传感器相比，三维传感器拥有多维的探测能力以及更高的可靠性，即使探测过程中磁场发生偏转也不影响探测精度，为相关产业提供更加丰富多元的数据，因此得以应用在更广阔的领域中。
目前，三维霍尔传感器多以Si材料和GaAs材料为主，Si的半导体工艺发展成熟，Si材料制备的传感器能与Si工艺良好地兼容，但受限于Si的灵敏度和较低的温度稳定性，其并不是适用于霍尔传感器的完美材料。GaAs材料相较Si材料具有更高的灵敏度和更好的温度稳定性，采用GaAs制备的传感器具备更加良好的性能。现有的GaAs传感器有两种形式：一是只采用GaAs制备，二是采用包括GaAs在内的多种材料形成异质结来制备，后者制备的传感器在灵敏度方面具有极大的优势，但存在无法采用平面工艺制备的问题。目前，必须存在三个相互正交的一维霍尔传感器来实现三维传感，与芯片的集成较为困难，且制备工艺较复杂、工艺要求较高，三个一维传感器必须极为精确地相互垂直才能保证传感器的测量准确性，来自外界的微小冲击也会导致传感器的测量出现误差。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种基于平面工艺的、易与芯片集成的高灵敏度异质结三维磁场测量霍尔传感器
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于平面工艺的异质结三维磁场测量霍尔传感器，其特征在于，所述霍尔传感器包括衬底10，以及形成于衬底之上、位于中心的正方体结构的中心电极c1，形成于衬底之上、与中心电极的四个侧面紧密接触的四个相同的十字形磁感应区域s1、s2、s3、s4，所述十字形磁感应区域包括自下而上依次设置的沟道层20、隔离层30、帽层50和钝化层60，其中，隔离层30中设置δ掺杂层40；所述十字形磁感应区域中，远离中心电极c1的末端设置接地电极c2、c3、c4、c5，接地电极完全覆盖末端表面，两臂的末端设置测量电极h1、h2、h3、h4、h5、h6、h7、h8，测量电极完全覆盖末端表面。
进一步地，所述衬底10、沟道层20、隔离层30、帽层50和钝化层60均采用未掺杂的本征材料，所述钝化层为Si3N4、SiO2等不易与外界发生反应的材料。
进一步地，所述沟道层的厚度为0.2微米，隔离层的厚度为0.3微米，帽层的厚度为0.5微米，钝化层的厚度为0.5微米，δ掺杂层与隔离层下表面之间的距离为5纳米。
本发明三维霍尔传感器的工作方式包括以下四种：
第一种：在中心电极c1施加偏置电压，接地电极c2、c3、c4、c5均接地，偏置电流由c1分别流向c2、c3、c4、c5，未施加磁场时，测量电极h1、h2、h3、h4、h5、h6、h7、h8分别获得一个电压值且理想状态下各电压值大小相等；当施加一个Z方向磁场时应用水平霍尔传感器原理，由c1流向c2的电流受到洛伦兹力在XY平面内发生偏转，使得测量电极h1、h2上堆积的电子数目不再相等，测量电极间出现电压差，该电压差即为Z方向磁场下h1、h2的霍尔电压；同理，测量电极h3与h4、h5与h6、h7与h8之间产生的电压差也为霍尔电压，将四个霍尔电压进行平均，即得到Z方向磁场下传感器测得的霍尔电压。
第二种：当施加一个X方向磁场时应用垂直霍尔传感器原理，由c1流向c2、c3的电流分别受到洛伦兹力在YZ平面内朝着相反的方向偏转，使得测量电极h1、h5上堆积的电子数目不再相等，测量电极间出现电压差，该电压差即为X方向磁场下h1、h5的霍尔电压；同理，测量电极h2、h6也获得了一个电压差，为h2、h6的霍尔电压，将得到的两个霍尔电压进行平均，即得到X方向磁场下传感器测得的霍尔电压。
第三种：当施加一个Y方向磁场时应用垂直霍尔传感器原理，由c1流向c4、c5的电流分别受到洛伦兹力在XZ平面内朝着相反的方向偏转，测量电极h3、h7上堆积的电子数目不再相等，测量电极间出现电压差，该电压差即为Y方向磁场下h3、h7的霍尔电压；同理测量电极h4、h8也会出现霍尔电压，将两个霍尔电压进行平均，即可得到Y方向磁场下传感器测得的霍尔电压。
第四种：当在任意方向施加磁场时，由c1流向c2、c3、c4、c5的电流受到洛伦兹力在不同平面内发生偏转，按照上述方式分别测得X、Y、Z方向磁场引起的霍尔电压，通过传感器测得的霍尔电压与测量磁场之间的线性关系可将霍尔电压转换为对应的磁场强度，再将X、Y、Z方向的磁场强度进行矢量合成，即可得到所探测磁场的方向和大小。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种基于平面工艺的异质结三维磁场测量霍尔传感器，在不添加其他有源层、仅采用异质结形成一层磁感应区域的前提下，成功实现了X、Y、Z三个方向的磁场感应，并且具有较高的灵敏度，在Z方向磁场的相关电压灵敏度约为360mV/VT，X、Y方向磁场的电压灵敏度约为188mV/VT。
2、本发明提供的一种基于平面工艺的异质结三维磁场测量霍尔传感器，异质结与衬底之间并未设置缓冲层的前提下，仍然获得较高的灵敏度。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于平面工艺的异质结三维磁场测量霍尔传感器中，磁感应区域的能带示意图；
图2为本发明提供的一种基于平面工艺的异质结三维磁场测量霍尔传感器的剖面图；
图3为本发明提供的一种基于平面工艺的异质结三维磁场测量霍尔传感器的整体结构示意图；
图4为本发明提供的一种基于平面工艺的异质结三维磁场测量霍尔传感器沿接地电极c4、c5中心的剖面图；
图5为本发明提供的一种基于平面工艺的异质结三维磁场测量霍尔传感器沿测量电极h1、h2中心的剖面图；
图6为实施例基于平面工艺的异质结三维磁场测量霍尔传感器在X、Y、Z磁场下的电压变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
实施例
如图3所示，为实施例提供的基于平面工艺的异质结三维磁场测量霍尔传感器的结构示意图；所述霍尔传感器包括衬底10，以及形成于衬底之上、位于中心的正方体结构的中心电极c1，形成于衬底之上、与中心电极的四个侧面紧密接触的四个相同的十字形磁感应区域，分别为第一十字形磁感应区域s1、第二十字形磁感应区域s2、第三十字形磁感应区域s3、第四十字形磁感应区域s4，所述十字形磁感应区域包括自下而上依次设置于衬底之上的沟道层20、隔离层30、帽层50和钝化层60，δ掺杂层40位于隔离层30中，如图2所示。其中，衬底10用于支撑，采用不掺杂的GaAs；沟道层20、隔离层30、帽层50分别采用不掺杂的InGaAs、AlGaAs、GaAs，δ掺杂层40为N型重掺杂，负责为量子阱提供电子用于磁场感应，钝化层60为Si3N4，用于保护磁感应区域。其中，所述第一十字形磁感应区域s1中，远离中心电极c1的末端设置第一接地电极c2，两臂的末端分别设置第一测量电极h1和第二测量电极h2；所述第二十字形磁感应区域s2中，远离中心电极c1的末端设置第二接地电极c4，两臂的末端分别设置第三测量电极h3和第四测量电极h4；所述第三十字形磁感应区域s3中，远离中心电极c1的末端设置第三接地电极c3，两臂的末端分别设置第五测量电极h5和第六测量电极h6；所述第四十字形磁感应区域s4中，远离中心电极c1的末端设置第四接地电极c5，两臂的末端分别设置第七测量电极h7和第八测量电极h8。
其中，中心电极c1的长宽高均为2微米，接地电极c2、c3、c4、c5的长为4微米、宽为1.5微米，测量电极h1、h2、h3、h4、h5、h6、h7、h8的长为2微米、宽为1.5微米。所述中心电极、接地电极和测量电极均为金属材料，与磁感应区域的各端形成欧姆接触。十字形磁感应区域包括两个矩形，其中与中心电极c1接触的矩形的长为10微米、宽为4微米，不与中心电极c1接触的矩形长为6微米、宽为2微米。
进一步地，所述衬底10、沟道层20、隔离层30、帽层50和钝化层60均采用未掺杂的本征材料，所述钝化层为Si3N4、SiO2等不易与外界发生反应的材料。所述InGaAs沟道层的厚度为0.2微米，AlGaAs隔离层的厚度为0.3微米，GaAs帽层的厚度为0.5微米，Si3N4钝化层的厚度为0.5微米，δ掺杂层位于沟道层上方约5纳米处。
如图1所示，为本发明提供的一种基于平面工艺的异质结三维磁场测量霍尔传感器中，磁感应区域的能带示意图；图1显示电子被局限在量子阱中。
本发明提供的基于平面工艺的异质结三维磁场测量霍尔传感器，中心电极c1接偏置电压，接地电极c2、c3、c4、c5都接地。
如图3所示，为实施例提供的一种基于平面工艺的异质结三维磁场测量霍尔传感器的整体结构示意图；十字形磁感应区域s1、s2、s3、s4中，远离中心电极c1的末端表面设置接地电极c2、c3、c4、c5，且接地电极完全覆盖末端表面，两臂的末端表面设置测量电极h1、h2、h3、h4、h5、h6、h7、h8，且测量电极完全覆盖末端表面。图4为传感器的剖面图，剖线由接地电极c4、c5中心连接而得；图5也为传感器的剖视图，剖线为测量电极h1、h2中心连接而得。
实施例三维霍尔传感器采用GaAs衬底，异质结作为磁感应区域实现X、Y、Z三个方向的磁场传感，同时磁场感应的灵敏度也处于较高的范围(Z方向磁场的电压相关灵敏度约为360mV/VT，X、Y方向磁场的电压灵敏度约为188mV/VT)，如图6所示。本发明得到的三维霍尔传感器具有较小的体积，制备工艺简单，采用简易的平面工艺即可制备该传感器，易于与芯片集成，可广泛应用于多种设备系统中。
Claims (3)
1.一种基于平面工艺的异质结三维磁场测量霍尔传感器，其特征在于，所述霍尔传感器包括衬底，以及形成于衬底之上、位于中心的正方体结构的中心电极，形成于衬底之上、与中心电极的四个侧面紧密接触的四个相同的十字形磁感应区域，所述十字形磁感应区域包括自下而上依次设置的沟道层、隔离层、帽层和钝化层，其中，隔离层中设置δ掺杂层；所述十字形磁感应区域中，远离中心电极的末端设置接地电极，接地电极完全覆盖末端表面，两臂的末端设置测量电极，测量电极完全覆盖末端表面。
2.根据权利要求1所述的基于平面工艺的异质结三维磁场测量霍尔传感器，其特征在于，所述衬底、沟道层、隔离层、帽层和钝化层均采用未掺杂的本征材料，所述钝化层为Si3N4或SiO2。
3.根据权利要求1所述的基于平面工艺的异质结三维磁场测量霍尔传感器，其特征在于，所述沟道层的厚度为0.2微米，隔离层的厚度为0.3微米，帽层的厚度为0.5微米，钝化层的厚度为0.5微米，δ掺杂层与隔离层下表面之间的距离为5纳米。
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