CN1776929A - 具有纳米晶铁锗颗粒薄膜磁敏材料活性层的霍尔元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型的霍尔元件，以通式为Fe_xGe_1－x的纳米晶铁锗颗粒薄膜磁敏材料作为活性层，其中x为铁金属颗粒所占的体积百分比，0.45＜x＜0.60，薄膜厚度为4～8纳米，采用“十”字形设计，活性层的线度在0.3～1微米。本发明的微型的霍尔元件的工作温度在－250℃到+200℃范围内，并具有125VA/T以上的霍尔电阻灵敏度，其线性度优于千分之三，热漂移小于140ppm/K，零磁场偏移量在千分之五以内。在航空、航天、军事等领域具有广阔的应用前景。

Description

具有纳米晶铁锗颗粒薄膜磁敏材料活性层的霍尔元件

技术领域

本发明涉及一种具有纳米晶铁锗颗粒薄膜磁敏材料活性层的霍尔元件。

背景技术

霍尔元件是利用本身活性层材料的霍尔效应测量磁场的一种磁传感器件，由半导体单晶材料制成的活性层、电极及保护它们的封装组成。目前，全世界对霍尔器件的年需求量在10亿只以上，已在无刷电机、齿轮转速检测、过程控制中的无触点开关、定位开关，汽车的安全装置ABS(防抱死制动系统)，汽车发动机点火定时，电流电压传感器等上得到了广泛的应用。其特点是无触点传感，可靠性高，用以检测电流电压，无插入损耗，且实现输入和输出信号的完全隔离、无过载损坏等等。在磁性材料及测磁仪器的研究、地磁场图的精确绘制、地质勘探、航海、航空、航天等方面都有十分重要的用途。

目前的霍尔元件中的磁敏感的活性层材料一般都采用硅、锑化铟、砷化铟、砷化钾等半导体材料，元件的尺度在亚毫米量级。而且，由于半导体材料的载流子的浓度、迁移率等特征参数随温度变化很大，使霍尔元件的工作温度受到限制，例如，一般霍尔元件的工作温度是-40℃到+150℃。如果要在更宽的温度范围内，例如-250℃到+200℃工作，必须组合使用多种型号的霍尔元件，这就进一步加大了霍尔元件的尺寸，也使元件成本大大增加。为克服半导体活性层材料体积大、成本高、制备工艺复杂等缺点，必须寻找一种具有与半导体材料相近的磁场灵敏度、工作温度宽、体积小、制备简单的替代材料。

A.B.Pakhomov等人[A.B.Pakhomov，X.Yan，B.Zhao.Giant Hall effect in percolatingferromagnetic granular metal-insulator films.Applied Physical Letters，1995，67(23)：3497～3499]报道了Ni-SiO₂等磁性金属颗粒薄膜系统中霍尔效应的巨大增强现象，在5K的温度下，Ni-SiO₂薄膜的反常霍尔电阻率ρ_xy高达160μΩcm，比相应的纯金属材料高四个量级，接近半导体硅的数值，并把这一现象称为巨霍尔效应。随后，人们先后在NiFe-SiO₂、Fe-SiO₂等颗粒薄膜系统中也发现了巨霍尔效应。这一研究发现，为人们提供了除半导体材料以外的一种作为霍尔元件活性层的磁敏材料。

所谓铁磁金属颗粒薄膜材料是由纳米尺度的铁、钴等磁性金属随即分布于二氧化硅等绝缘体，或硅、锗等半导体母体中构成的复合材料，材料的金属颗粒尺度、金属体积比、薄膜厚度等结构参数可根据需要随意控制，属于典型的人工结构纳米功能材料。与半导体材料的正常霍尔效应不同，铁磁金属颗粒薄膜材料的霍尔效应包含两部分，其霍尔电阻率ρ_xy可以表示为：ρ_xy＝R₀[H+4πM(1-D)]+R_s4πM。式中第一项代表洛仑兹力作用于载流子上引起的正常霍尔效应，D是退磁因子，该项与非磁性金属或半导体中的霍尔效应机制相同；第二项表示由磁性散射引起的霍尔效应，是磁性材料特有的属性，被称为反常霍尔效应。当金属体积百分比在0.45～0.60间时，铁磁金属颗粒薄膜的反常霍尔系数接近半导体硅的数值，这就为颗粒薄膜在霍尔元件中的应用提供了可能性。

磁性金属颗粒薄膜的霍尔电阻R_H可以表示为R_H＝V_H/i＝ρ_H/d＝(R₀B+R_sM)/d，可见，磁性颗粒薄膜中的霍尔电阻与磁化强度M密切相关，并与薄膜的厚度成反比。A.B.Pakhomov等[A.B.Pakhomov，X.Yan，B.Zhao.Giant Hall effect in percolating ferromagneticgranular metal-insulator films.Applied Physical Letters，1995，67(23)：3497～3499]报道的厚度～1μm的Ni-SiO₂的颗粒薄膜在金属体积百分比x为0.45～0.60时，其最大的饱和霍尔电阻约为～2Ω，理论上讲，当薄膜厚度减小100倍，即为100时，其霍尔电阻可以达到～200Ω左右，远高于某些半导体硅或锗霍尔传感器的灵敏度。但是，在绝大多数磁性金属颗粒薄膜中，随着金属体积比和薄膜厚度的降低，磁性颗粒在室温区域出现超顺磁现象，使薄膜的饱和磁化强度降低，抑制了霍尔电阻的增加，J.C.Denardin等[Thermoremanence andzero-field-cooled/field-cooled magnetization study of Co_x(SiO₂)_1-x granular films，Physical ReviewB，2002，65(6)：054422/1～8]对这一现象进行了详细论述。因此，将铁磁金属的反常霍尔效应应用于传感器件材料，必须保证在厚度很小情况下，薄膜的磁化强度基本稳定，这样的薄膜才具有霍尔传感器材料具备的较大数值的霍尔电阻。

我们[Joumal of Applied Physics 98(2005)p086105]制备了非晶的铁—锗颗粒薄膜材料，厚度为4.1纳米的Fe_0.67Ge_0.33样品的霍尔电阻灵敏度为82V/AT，是具有相同输入电阻值的硅基霍尔传感器的两倍。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有纳米晶铁锗颗粒薄膜磁敏材料活性层的霍尔元件，具有纳米晶铁锗颗粒薄膜磁敏材料活性层，不同于传统半导体材料，同时也不同于非晶结构的纳米晶的铁—锗颗粒薄膜材料，其霍尔电阻灵敏度高达125V/AT，工作温度可以扩展到-250℃到+200℃，并且具有更小的热漂移、零磁场偏移。本发明制备简单，成本低，灵敏度高、工作温度范围宽，器件尺寸小，因而应用更为广泛。

本发明提供的纳米晶铁锗颗粒薄膜磁敏材料的通式为Fe_xGe_1-x，其中x为材料中铁的金属颗粒所占的体积百分比，0.45＜x＜0.60，优选x＝0.52～0.58；薄膜厚度在4～8纳米，优选薄膜厚度在5纳米。

本发明提供的霍尔元件是由在基片上形成的纳米晶铁锗颗粒薄膜磁敏材料作为活性层、金属电极层和保护层构成，金属电极层与活性层接触，保护层直接覆盖活性层；所述的基片是玻璃、石英、单晶硅或单晶砷化钾。

所述的活性层是由通式为Fe_xGe_1-x的纳米晶铁锗颗粒薄膜磁敏材料，其中x为铁的金属颗粒所占的体积百分比，0.45＜x＜0.60，薄膜厚度为4～8纳米；优选x＝0.52～0.58；

所述的活性层是“十”字形。活性层的线度在0.3～1微米；所述的金属电极层是钛和金电极层；所述的保护层是二氧化硅保护层；所述的二氧化硅保护层的厚度为50纳米。

所述的霍尔元件的制备方法是经过下述步骤：

1)首先，用光刻法在基片上形成为了沉积铁锗薄膜的“十”字形图案，如图1(a)，图中阴影部分未涂光刻胶，图案中心正方形的边长在0.3～1.0μm，中心正方形的四个边上突出部分的长度为0.2μm；

2)采用通用的超高真空对靶磁控溅射镀膜机，在背底真空度优于3×10^-7Torr时，将高纯度的氩气通入真空室，氩气流量为10sccm；

3)在真空度下降为3×10^-4Torr下，将超高真空闸板阀的开启度设定为20％；调整铁和锗两个靶向中心位置倾角30度，锗靶上设定为15瓦的射频功率，铁靶上设定为9瓦的直流功率，预溅射20～25分钟；

4)打开铁靶、锗靶和基片的挡板，铁靶和锗靶共同对着位于中心上方10～11厘米高度处的基片溅射成膜，基片以20～25转/分钟的速率均匀旋转，并且设定溅射时间为2分钟。

5)通过磁力转轴将样品送到副真空室，取出样品，除去光刻胶；并用光刻法在基片上正方形铁锗薄膜的四个边的外侧形成为了沉积四个电极的矩形图案，如图1(b)，图中阴影部分未涂光刻胶，每个电极图案分别与正方形铁锗薄膜的四个边有0.15微米的重叠部分。将样品送入真空室，连续制备50纳米后的钛层和300纳米厚的金层形成电极，钛靶和金靶均采用直流溅射。

6)通过磁力转轴将样品送到副真空室，取出样品，除去光刻胶；并用光刻法在基片上正方形铁锗薄膜的上方形成为了沉积保护层的正方形图案，正方形的边长在0.5～1.2μm，将铁锗薄膜完全覆盖。将样品送入真空室制备二氧化硅保护层，二氧化硅靶采用射频溅射，利用计算机控制程序，设定溅射功率为200瓦，溅射时间为10分钟。

本发明提供了一种以磁性颗粒薄膜为活性层，利用磁性材料反常霍尔效应原理工作的微型的霍尔元件，其工作温度在-250℃到+200℃范围内，并具有较高灵敏度，霍尔元件的霍尔电阻灵敏度高达125VA/T以上，接近GaAs霍尔元件，是具有相同输入电阻数值的商用的硅和锗霍尔元件的3倍以上。而且，在-250℃到+200℃的工作温度范围内，样品的线性度优于千分之三，热漂移小于140ppm/K，零磁场偏移量在千分之五以内。

本发明在-250℃到+200℃的温度范围内，材料的灵敏度与温度无关。

本发明纳米晶铁锗颗粒薄膜材料不同于传统半导体材料，同时也不同于非晶结构的纳米晶的铁—锗颗粒薄膜材料，其霍尔电阻灵敏度高达125V/AT，工作温度可以扩展到-250℃到+200℃，并且具有更小的热漂移、零磁场偏移。与传统的半导体材料相比，本发明的材料制备工艺简单，成本低。制成的霍尔元件体积小、制备简单、灵敏度高、工作温度范围宽，器件尺寸小，因而在航空、航天、军事等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是制备纳米晶铁锗颗粒薄膜活性层和电极的图案，图中阴影部分不涂光刻胶。

图2是纳米晶铁锗颗粒薄膜在铁的金属颗粒所占的体积百分比x为0.58，厚度为5纳米时的高分辨率透射电子显微镜照片。

图3是厚度为5纳米的Fe_0.54Ge_0.46铁锗颗粒薄膜样品在开氏温度为2～480K范围内的灵敏度与温度关系。

图4是厚度为5纳米的Fe_0.54Ge_0.46铁锗颗粒薄膜样品的线性度与温度关系。

具体实施方式

实施例1

1、活性层图案的制备。用光刻法在石英基片上形成为了沉积铁锗薄膜的“十”字形图案，如图1(a)，图中阴影部分未涂光刻胶，图案中心正方形的边长在1.0μm，中心正方形的四个边上突出部分的长度为0.2μm。

2、室温下通入氩气。采用中国科学院沈阳科仪中心的DPS-III型超高真空对靶磁控溅射镀膜机(自带的计算机控制软件)，在背底真空度优于3×10^-7Torr时，将高纯度的氩气通入真空室，氩气流量为10sccm。待真空度下降为3×10^-4Torr左右时，利用设备自带的计算机控制软件，将超高真空闸板阀的开启度设定为20％。

3、预溅射。调整纯度均为99.99％的铁和锗两个靶向中心位置倾角30度左右，锗靶上加以设定为15瓦的射频功率，铁靶上加以设定为10瓦的直流功率，预溅射20分钟。

4、溅射成膜。打开石英基片的挡板，基片以20转/分钟的速率均匀旋转，控制溅射时间在2分钟，薄膜厚度为5纳米。

5、制备电极。通过磁力转轴将样品送到副真空室，取出样品，除去光刻胶；并用光刻法在基片上正方形铁锗薄膜的四个边的外侧形成为了沉积四个电极的矩形图案，如图1(b)，图中阴影部分未涂光刻胶，每个电极图案分别与正方形铁锗薄膜的四个边有0.15微米的重叠部分。将样品送入真空室，连续制备50纳米后的钛层和300纳米厚的金层形成电极，钛靶和金靶均采用直流溅射。

6、制备保护层。通过磁力转轴将样品送到副真空室，取出样品，除去光刻胶；并用光刻法在基片上正方形铁锗薄膜的上方形成为了沉积保护层的正方形图案，正方形的边长在0.5～1.2μm，将铁锗薄膜完全覆盖。将样品送入真空室制备二氧化硅保护层，二氧化硅靶采用射频溅射，利用计算机控制程序，设定溅射功率为200瓦，溅射时间为10分钟，得到霍尔元件。

测试结果：

采用磁控溅射法制备了铁的金属颗粒所占的体积百分比x为0.58，厚度为5纳米的纳米晶铁锗颗粒薄膜，进行高分辨率透射电子显微镜测试，结果见图2。

从图2中可以看出，铁以6～8纳米左右的多晶颗粒形式存在，锗以非晶的形式存在于铁颗粒间的暗的区域，组成Fe_0.58Ge_0.42。

实施例2

铁靶上加以设定为9瓦的直流功率，其它操作条件同实施例1制备出铁的体积比x为0.54，厚度为5纳米纳米晶铁锗颗粒薄膜。

利用美国Quantum Design公司生产的物理性质测量仪PPMS-9，在±2kOe的磁场范围内，对铁的金属颗粒所占的体积百分比x为0.54，厚度为5纳米的纳米晶铁锗颗粒薄膜，进行了开氏温度为2～480K的灵敏度测试，结果见图3。

灵敏度是霍尔元件活性层的重要参数，可以表示为在单位磁场作用下，霍尔元件产生的电阻变化。灵敏度的大小反映了霍尔元件对外加磁场的检测能力，灵敏度越高，传感器对磁场信号的放大能力越强，所能探测的磁场的下限越小。从图3可以看到，在50～400K的温度范围内，薄膜的霍尔电阻灵敏度K_H值在125V/AT左右，该数值与半导体GaAs霍尔传感器磁灵敏度K_H～120V/AT接近，并且基本不随温度变化。

实施例3

利用美国Quantum Design公司生产的物理性质测量仪PPMS-9，在±2kOe的磁场范围内，对实施例2制备的纳米晶铁锗颗粒薄膜，在开氏温度为2～400K的范围内进行线性度测量，结果见图4。

传感器的线性度表征着器件对不同磁场的测量精度，在±2kOe的低磁场范围内，每个温度下测得的薄膜样品霍尔电阻与磁场位于同一直线上，电阻与磁场表现出很好的线性关系。为定量表示测量曲线的线性度，我们采用线性拟合的方法，得出不同温度下的最大相对误差，示于图4中。在2-480K的测量温度范围内，样品的线性度优于千分之三。

实施例4：将实施例1得到的活性层的面积为1μm×1μm、厚度为5纳米的霍尔元件，与具有相同输入电阻数值的商用硅霍尔元件一起，同时在室温条件下测量500奥斯特的磁场，本材料的霍尔电阻灵敏度为125VA/T，是商用硅霍尔传感器高三倍，见表1。

实施例5：将实施例1得到的活性层的面积为1μm×1μm、厚度为5纳米的本发明的霍尔元件，与具有相同输入电阻数值的商用硅霍尔元件一起，在美国Quantum Design公司生产的物理性质测量仪PPMS-9提供的-250℃的低温环境下测量1000奥斯特的磁场。商用硅霍尔传感器的灵敏度产生较大变化，由室温的42VA/T变化为-200℃的49VA/T，热漂移大于800ppm/K；而本发明霍尔器件的霍尔电阻灵敏度为126VA/T，热漂移小于40ppm/K，明显优于商用硅霍尔元件，见表1。

表1：本发明的霍尔元件与商用硅霍尔元件性能对照

	本发明的霍尔元件	商用硅霍尔元件
			活性层面积	1μm×1μm	95μm×35μm
输入电阻	3955Ω	400Ω
			室温霍尔电阻灵敏度	125VA/T	42VA/T
-200℃的霍尔电阻灵敏度	126VA/T	49VA/T
			热漂移	小于40ppm/K	大于800ppm/K

Fe-Ge纳米晶颗粒薄膜作为霍尔元件材料，工作温度在-250℃到+200℃的范围内，其耐低温性能优于商用的半导体霍尔传感器，并且具有高灵敏度、低热漂移、线性度好、零磁场偏移小等优点，在航空、航天、军事等领域具有广阔的应用前景。

Claims (10)

1、一种霍尔元件，其特征在于它是由在基片上形成的纳米晶铁锗颗粒薄膜磁敏材料作为活性层、金属电极层和保护层构成，金属电极层与活性层接触，保护层直接覆盖活性层；所述的基片是玻璃、石英、单晶硅或单晶砷化钾；

所述的活性层是由通式为Fe_xGe_1-x的纳米晶铁锗颗粒薄膜磁敏材料，其中x为铁的金属颗粒所占的体积百分比，0.45＜x＜0.60，薄膜厚度为4～8纳米。

2、根据权利要求1所述的霍尔元件，其特征在于x＝0.52-0.58。

3、根据权利要求1所述的霍尔元件，其特征在于所述的活性层是“十”字形。

4、根据权利要求1所述的霍尔元件，其特征在于活性层的线度在0.3～1.0微米。

5、根据权利要求1所述的霍尔元件，其特征在于所述的金属电极层是铜电极层。

6、根据权利要求1所述的霍尔元件，其特征在于所述的保护层是二氧化硅保护层。

7、根据权利要求1所述的霍尔元件，其特征在于所述的二氧化硅保护层的厚度为50纳米。

8、根据权利要求1所述的霍尔元件，其特征在于所述的基片是石英。

9、权利要求1所述的霍尔元件的制备方法，其特征在于它是经过下述步骤：

1)用光刻法在基片上形成为了沉积铁锗薄膜的“十”字形图案，图案中心正方形的边长在0.3～1.0μm，中心正方形的四个边上突出部分的长度为0.2μm；

2)采用通用的超高真空对靶磁控溅射镀膜机，在背底真空度优于3×10^-7Torr时，将高纯度的氩气通入真空室，氩气流量为10sccm；

3)在真空度下降为3×10^-4Torr下，将超高真空闸板阀的开启度设定为20％；调整铁和锗两个靶向中心位置倾角30度，锗靶上设定为15瓦的射频功率，铁靶上设定为9瓦的直流功率，预溅射20～25分钟；

4)打开铁靶、锗靶和基片的挡板，铁靶和锗靶共同对着位于中心上方10～11厘米高度处的基片溅射成膜，基片以20～25转/分钟的速率均匀旋转，并且设定溅射时间为2分钟；

5)通过磁力转轴将样品送到副真空室，取出样品，除去光刻胶；并用光刻法在基片上正方形铁锗薄膜的四个边的外侧形成为了沉积四个电极的矩形图案，每个电极图案分别与正方形铁锗薄膜的四个边有0.15微米的重叠部分，将样品送入真空室，连续制备50纳米后的钛层和300纳米厚的金层形成电极，钛靶和金靶均采用直流溅射；

6)通过磁力转轴将样品送到副真空室，取出样品，除去光刻胶；并用光刻法在基片上正方形铁锗薄膜的上方形成为了沉积保护层的正方形图案，正方形的边长在0.5～1.2μm，将铁锗薄膜完全覆盖；将样品送入真空室制备二氧化硅保护层，二氧化硅靶采用射频溅射，设定溅射功率为200瓦，溅射时间为10分钟。

10、权利要求1所述的霍尔元件的应用，其特征在于它用于检测开关、触点开关、定位开关或电流电压传感器。

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