DE2617481C2

DE2617481C2 - Halleffekt-Bauelement

Info

Publication number: DE2617481C2
Application number: DE2617481A
Authority: DE
Inventors: Albert Watson Cary N.C. Vinal
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-05-14
Filing date: 1976-04-22
Publication date: 1983-05-05
Also published as: US3997909A; JPS51140494A; FR2311314B1; ES447767A1; SE7604389L; GB1489738A; CH597693A5; SU733513A3; IT1064186B; FR2311314A1; BR7603071A; SE404555B; CA1061011A; JPS5332236B2; NL7605136A; DE2617481A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Halleffekt-Bauelement gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Magnetköpfe mit Halieffekt-Bauelementen sind allgemein bekannt. Derartige Halleffekt-Bauelemente erzeugen im allgemeinen eine Hallspannung mit einem Ausgangswert von bestenfalls 100 bis 200 mV/T, wie es z.B. in »IEEE Transactions on Electronic Devices«, Band ED-16, Nr. 1, Januar 1969, auf den Seiten 35 bis 39 beschrieben ist. Der dort gezeigte magneto-elektrische Wandler in MOS-Siliciumausführung besitzt eine hohe Empfindlichkeit, der eine Ladungsträgerbeweglichkeit in der Größenordnung von 116cm²/Vs zugrunde liegt. Die Ausgangsempfindlichkeit an den Hallelektroden liegt in der Größenordnung von 100 mV/T. Weiterhin wird dort festgestellt, daß die Hall-Beweglichkeit bestenfalls den theoretischen Wert von 150cm²/Vs erreichen kann. Die hierbei angelegte elektrische Feldstärke beträgt 180 V/cm,

Ein Halleffekt-Bauelement der eingangs genannten Art, und zwar in T-Form, ist in der US-PS 31 14 009 beschrieben. Ein dort gezeigtes Ausführungsbeispiel enthält eine Hallelekirode auf einem Vorsprung an der Seitenkante des Hall-Halbleiterplättchens, welcher in der Mitte zwischen den beiden Steuerelektrolen auf den gegenüberliegenden Seiten des Hall-Halbleiterplättchens liegt

Ein allgemein bekannter und häufig beobachteter Effekt bei Halieffekt-Bauelementen wirkt sich so aus, daß beim Erhöhen der Eteuerspannung, und damit des angelegten elektrischen Feldes, die Beweglichkeit der Ladungsträger im Hall-Halbleiterplättchen abnimmt, wobei die Ursachen hierfür nicht ganz geklärt sind. Die sich zeigenden Änderungen der Ladungsträgerbeweglichkeit lassen sich entweder dem bei FET-Ausführung längs dem Kanal einwirkenden elektrischen Feld oder dem senkrecht zum Kanal verlaufenden elektrischen Feld oder beiden Einwirkungsgrößen zugleich zuschreiben. Wenngleich auch keine befriedigende theoretische Problemlösung vorliegt, so sind doch bereits rein empirisch ermittelte Zusammenhänge aufgezeigt Sicher scheint lediglich zu sein, daß bei Erhöhen der elektrischen Feldstärke des an das Hall-Halbleiterplättchen angelegten Feldes über einen bestimmten Wert hinaus die Elektronenbeweglichkeit gegenüber dem Wert bei niedrigem Anregungsfeld, nämlich 115 cm²/Vs, abzuweichen und abzunehmen beginnt Die elektrische Feldstärke, bei der sich diese Wirkung auf Elektronen zeigt, liegt in der Größenordnung von 10⁴ V/cm. Siehe: Cobbold, »Theory in Applications of Field Effect Transistors«, Wiley Interscience, N.Y. 1970, S. 102—105; »IEEE Transactions on Electronic Devices«, VoI. ED-19, Seiten 681 bis 690, Mai 1972; »IEEE Transactions on Electron Devices«, ED-14, Vol. 37, Januar 1967, Artikel von Gibbons, J. F., »Carrier Drift Velocities in Silicon at High Electrical Field Strengths« und »IEEE Transactions on Electroi. Devices«, Vol. ED-12. Seiten 248 bis 254, Mai 1965. Hier zeigt sich, daß die Elektronenbeweglichkeit oder allgemeiner die Ladungsträgerbeweglichkeit bei Halieffekt-Bauelementen unter der Wirkung von angelegten elektrischen Feldern in der Größenordnung von 10* V/cm abzufallen beginnt, und zwar, wie gesagt, ohne hierfür eine vollständige Erklärung zur Hand zu haben. Es wurde seither angenommen, daß dieser Abfall der Ladungsträgerbeweglichkeit stets zu einer Verringerung der Hallspannung führen müßte.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Halleffekt-Bauelement der eingangs genannten Art bereitzustellen, das bei hoher elektrischer Anregungsfeldstärke eine höhere Hallspannung und damit eine Empfindlichkeit für Magnetfelder aufweist, die etwa eine Größenordnung größer ist als bei bisher bekannten Halieffekt-Bauelementen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, wie es dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.

Bei der angelegten elektrischen Feldstärke mit einem höheren Wert als 500 V/cm ergeben sich Empfindlichkeiten für Magnetfelder des Halleffekt-Bauelements, welche etwa um eine Größenordnung höher sind, als es bisher zu erzielen möglich war, nämlich um 10 bis 20 V/T.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich den Üiiteransprüchen entnehmen.

Ausfüt.nmgsbeispiele der Erfindung werden anhand

der Zeichnung im einzelnen erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Halleffekt-Bauelements,

F i g. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel,

F i g. 3 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Kompensation der in Halleffekt-Bauelementen auftretenden ohmschen Nullkomponente,

Fig.4 eine graphische Darstellung, bei der die Ladungsträgerbeweglichkeit als Funktion des Quadrat-Flächenwiderstandes aufgetragen ist, wobei außerdem die verschiedenen Störstellenkonzentrationen angegeben sind,

F i g. 5A und F i g. 5B verschiedene Ansichten eines in integrierter Schaltungsbauweiss realisierten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig.6 eine graphische Darstellung, bei der die Ladungsträgergeschwindigkeit in Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke aufgetragen ist,

F i g. 7 und 8 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Arbeitsweise eines Halleffekt-Bauelements.

In den F i g. 1 und 2 ist ein Hall-Halbleiterp-Iättchen 1 gzeigt, dessen Steuerelektroden 2 und 3 zum Anlegen einer Steuerspannungsquelle dienen, deren mit der Steuerelektrode 3 verbundener negativer Pol an Masse liegt. Bei angelegter Steuerspannung liegt zwischen den Steuerelektroden 2 und 3 ein elektrisches Feld E Wird angenommen, daß das Hall-Halbleiterplättchen 1 einen über seiner Länge gleichmäßig verteilten Widerstand besitzt, dann läßt sich das jeweilige Potential an irgendeinem Punkt im Hall-Halbleiterplättchen 1 leicht aus der Steuerspannung, unter Berücksichtigung des Abstandsverhältnisses zu den Steuerelektroden 2 und 3, bestimmen. In der Mitte zwischen den beiden Steuerelektroden 2 und 3 ist eine Hallelektrode (bei 4) angebracht, so daß die auftretende Hallspannung, bezogen auf Massepotential, der Anordnung entnommen werden kann.

Es hat sich nun völlig unerwartet herausgestellt, daß die sich hie. mit ergebende Hallspannung um ungefähr 1 bis 2 Größenordnungen größer ist als bei den besten bisher bekannten Halleffekt-Bauelementen, vorausgesetzt allerdings, daß die spezifische Leitfähigkeit des verwendeten Halbleitermaterials einen bestimmten Minimalwert überschreitet und daß das zwischen den Steuerelektroden 2 und 3 auftretende elektrische Feld ebenfalls eine vorgegebene Feldstärke übersteigt. Dies weist darauf hin, daß so eine Ladungsträgerbeweglichkeit in den Halbleiterplättchen erreicht werden kann, welche sich an sich in einem Halbleiterblock auftretenden Beweglichkeitswerten nähert.

Das Grundprinzip bei den Halleffekt-Bauelementen beruht auf der Lorentzablenkung der Ladungsträger, so daß eine Hallspannung entsteht. In dem in Fig. 7 schematisch angedeuteten Halleffekt-Bauelement soll eine Steuerspannungsquelle an die Steuerelektroden 2 und 3 angeschlossen sein, die ebenfalls an einander gegenüberliegenden Kanten eines Plättchens 1 aus Halbleitermaterial angeordnet sind. Eine am Vorsprung 4 angebrachte Hallelektrode liegt hier ebenfalls mitten zwischen den Steuerelektroden 2 und 3 des HaIl-HaIbleiterplättchens 1. Der Steuerelektrodenabstand ist mit L, und der Abstand des Vorsprungs 4 von der an Masse angeschlossenen Steuerelektrode 3 ist mit X' bezeichnet. Die Spannung Vo zwischen der am Vorsprung 4 liegenden Hallelektrode und Masse stellt die zu erfassende Hall-Spani.ung dar. Die Breite des HaII-HalbleiterDiättchens 1 ist mit W und das elektrische Feld zwischen den Steuerelektroden 2 und 3 mit E bezeichnet Unter der Voraussetzung eines gleichförmigen, spezifischen Widerstandes des Hall-Halbleiterplättchens 1 ist das Potential an einem Punkt X zwischen den Steuerelektroden proportional dem Abstand vom Anschluß Vs- Die unter Feldeinwirkung wandernden Ladungsträger führen zur Stromdichte /. Die gestrichelt gezeichneten vertikalen Linien deuten Äquipotentiallinien im Hall-Halbleiterplättchen 1 an.

ίο Schließlich ist bei der Darstellung vorausgesetzt daß kein Magnetfeld B am Hall-Halbleiterplättchen I zur Einwirkung gelangt Allerdings entsteht dann eine Hall-Spannung, wenn ein senkrecht zur Zeichenebene angelegtes Magnetfeld jedweder Polarität angelegt wird.

F i g. 8 ist im wesentlichen der F i g. 7 gleich, jedoch ist hier ein senkrecht zur Zeichepebene gerichtetes Magnetfeld B angelegt wie durch das Bezugszeichen Xb angedeutet Der sich hierdurch ergebende Effekt ist

durch die schrägliegenden, voll ausgezogenen Äquipotentialünien angedeutet die aus ihrer durch die gestrichelten Linien angedeuteten Potentiallage um ihren jeweiligen Mittelpunkt so gedreht sind, daß ihre Enden um eine Strecke 5, gemessen in Richtung der Längsausdehnung des Hall-Halbleiterplättchens 1, gedreht sind. Dieser Drehwinkel θ*, auch Hallwinkel genannt ist in Fig.8 ebenfalls gezeigt Unter der Einwirkung eines in der Normalen der Zeichenebene gerichteten Magnetfeldes werden also die Äquipotentiallinien innerhalb des Hall-Halbleiterplättchens gedreht. Untenstehende Gleichung (1) gibt die Spannung Vo, gemessen zwischen Hallelektrode am Vorsprung 4 und Masse.

[hil

(i)

Gleichung (1) basiert auf der Annahme, daß der spezifische Widerstand des Hali-Halbleiterplättchens üb?r der ganzen Länge konstant ist und daß die Spannung Vo an jedem Punkt X eine Funktion des

χ
Abstandes innerhalb der Länge L (der y te Teil in Gleichung (I)) und einer Signalkompcnente 5 ist, die durch Drehung der Äquipotentiallinien gemäß Fig.8

vorliegt (der γ te Teil in Gleichung (I)). Der Ausdruck 5 in Gleichung (1) stellt eine Funktion der Winkeldrehung

der Äquipotentiallinien in Fig.8 dar, die sich unter Einwirkung eines Magnetfeldes mit der Flußdichte B einstellt. Untenstehende Gleichung (2) dient i.ur Ermittlung der Komponente 5 aus Drehwinkel Θλ, Hall-Halbleiterplättchenbreite W, Flußdichte B und Ladungsträgerbeweglichkeit μ.

-rfT-μ*.

(2)

bo Wird Gleichung (2) nach S aufgelöst und dieser Wert in Gleichung (1) eingesetzt, dann ergibt sich Gleichung (3):

" ■> Ll L ■

Gleichung (3) ist als Fundamentalalisdruck für das Potential anszusehen, das an der Hallelektrode am

Vorsprung 4 gemessen wird, welcher im Abstand X'von der Steuerelektrode 3 am Hall-Halbleiterplättchen 1 liegt. Gleichung (3) zeigt dieses Potential als Funktion der Trägerbeweglichkeit μ, der Magnetflußdichte B, der

Hall-Halbleiterplättchengeometrie — und der Steuerspannung Vs. Die Gleichung für die Hall-Spannung V₀ enthält zwei Terme. Der Term -— stellt die ohmsche

Nullkomponente an der Hallelektrode dar, welche mit Hilfe eines veränderbaren Widerstandes R, etwa wie in F i g. 2 gezeigt, kompensiert werden kann, indem das an der Hallelektrode auftretende Potential ins Verhältnis zum durch die Steuerspannung Vs vorgegebenen Potential gesetzt wird.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Kompensation dieser ohmschen Nullkomponente läßt sich mittels einer abgeglichenen, doppelten Halleffekt-Bauelementstruk-.„_ .^.jj. j-, ρ; „ ί ~_c™„; durchführen. Die Hsüspännung der in Fig. 3 gezeigten Anordnung läßt sich gemäß Gleichung (4) ermitteln.

^j-) Βμ.

(4)

Der Wert für die Beweglichkeit μ, wie er bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung gegeben ist, entspricht recht genau einem Beweglichkeitswert in einem massiven Halbleiterkörper. Für eine vorgegebene Steuerspannung Vs, die zu einer einen kritischen Wert E übersteigenden Feldstärke führt, läßt sich die Empfindlichkeit dieses Halleffekt-Bauelements durch

W
die Wahl des Verhältnisses — modifizieren. Es kann gezeigt werden, daß das Signal/Rauschverhältnis bei einem derartigen Halleffekt-Bauelement angenähert proportional dem Ausdruck

(ff

Die äquivalenten Ausdrücke für Gleichung (4) ergeben sich zu:

K₀ - W R_hJB,

y₀ = wv_dB.

worin

T die Dicke des Hall-Halbleiterplättchens 1, 1

R_k =ρμ =

die Hall-Konstante,

V₄ die Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger, B Sas Magnetfeld,

/ der Steuerstrom,

J die Stromdichte des Steuerstroms und

W die Breite des Hall-Halbleiterplättchens

Gleichung (7) läßt erkennen, daß die Hallspannung umgekehrt proportional der Dicke des Ha'bleiterplättchens 1 ist, das demnach, wenn es nur ausreichend dünn ist, pro Einheit des Feldes B zu entsprechend großer Hall-Spannung führen dürfte.
Es läßt sich zeigen, daß die Hall-Spannung proportio-

nal der Geschwindigkeit und nicht der Anzahl der Ladungsträger ist. Dies stellt eine bedeutsame Tatsache dar, die später noch genauer behandelt werden soll. Zudem kann die Hall-Spannung als Funktion des angelegten Stroms und des Produkts aus Trägerbeweg-

lichkeit und spezifischem Widerstand des Halbleitermaterials im aktiven Bereich ausgedrückt werden.

Gleichung (4) reflektiert den Umstand, daß die Hall-Spannung durch die Steuerspannung und die Ladungsträgerbeweglichkeit zusammen mit der Mais gnetflußdichte und der Halleffekt-Bauelementgeometrie vorgegeben ist. Weder aus Gleichung (4) noch aus den anderen Zusammenhängen sind jedoch die innewohnenden Grenzbedingungen der im Hall-Halbleiternlättchen einwirkenden Spannungs- oder Stromwerte zu erkennen. Hiernach könnte nämlich ohne weiteres die Hall-Spannung pro Einheit des angelegten Feldes durch Anlegen eines ausreichenden Stromes bzw. einer Spannung auf jeden gewünschten Wert geregelt werden, sofern nur die sich im Hall-Halbleiterplättchen t entwickelnde Wärme ausreichend abgeleitet werden kann. Aus diesem Grunde müssen die Grenzbedingungen aufgezeigt werden, die sich für die im aktiven Bereich des Halbleitermaterials auftretende Stromdichte ergeben. Derartige Grenzbedingungen ergeben sich

aus einer Funktion, bei der sich die Hall-Spannung aus LadungsträgerbewRglichkeit μ, spezifischem Widerstand des Halbleitermaterials, Breite Wats Halleffekt-Bauelementes und Verlustleistungsdichte P im HaIbleiterplättchen herleiten läßt.

Im folgenden soll nun ein bevorzugtes, in FET-Technik ausgeführtes Beispiel der Erfindung beschrieben werden. Zuvor jedoch müssen verschiedene Überlegungen angestellt werden. Vor allen Dingen ist die durch Gleichung (4) gegebene Tatsache zu berücksichtigen,

daß die Hall-Spannung proportional der Beweglichkeit μ der Ladungsträger ist. Es ist, wie eingangs dargelegt, allgemein bekannt, daß bei Zunahme eines an einen Halbleiterkörper angelegten elektrischen Feldes die Ladungsträgerbeweglichkeit μ abnimmt. Die Gründe

hierfür sind nicht hinreichend bekannt. Aus den eingangs hierzu genannten Literaturstellen läßt sich zusammenfassend entnehmen, daß sich um so größere Hall-Spannungen erzielen lassen, je höher die Ladungsträgerbeweglichkeit ist und daß, je höher das elektrische

Feld über dem Hall-Halbleiterplättchen ist, Beweglichkeit und damit auch Hall-Spannung verringert ν »rden. Bei Verwendung von Silicium für ein Halleffekt-Bauelement hoher Empfindlichkeit, wie es in der bereits erwähnten Veröffentlichung in »IEEE Transactions on Electron Devices«, Band ED-16, Nr. 1, Januar 1969, Seiten 35-39, gezeigt ist ergeben sich optimale Hall-Spannungen mit Beweglichkeitswerten in der Größenordnung von 150cmWs für das jeweils zugrunde gelegte Halbleitermaterial. Bekanntlich kön-

nen andere Halbleitermaterialien, wie Galliumarsenid, eine wesentlich höhere Ladungsträgerbeweglichkeit und damit Hall-Beweglichkeit zeigen, die mit der üblichen Driftbeweglichkeit bei Silicium und Germanium durchaus vergleichbar ist, wie es z. B. aus dem Buche

es »The Physics of Semiconductors« von S. M. Sze, Seite 40, aus dem Verlag John wTley and Sons, 1969, hervorgeht Wie auf Seite 45 a. a. O. gezeigt, muß die Hall-Eeweglichkeit scharf von der Driftbeweglichkeit

der Ladungsträger unterschieden werden.

Sowohl Hall-Beweglichkeit als auch Ladungsträgeroder Driftbeweglichkeit nehmen aber, wie bereits ausgeführt, mit zunehmendem elektrischen Feld ab, so daß einschlägige Bestrebungen in der Fachwelt in entgegengesetzter Richtung zu dem bei vorliegender Erfindung eingeschlagenen Weg verlaufen. So sollte gemäß dem vorliegenden Stand der Technik kein starkes elektrisches Feld angelegt werden, da hierdurch die Beweglichkeit herabgesetzt und damit eine zu \o geringe Hall-Spannung erhalten wird. Die Schwierigkeiten liegen offenbar in der Interpretation der zugrunde liegenden Gleichungen, mit denen nur auf rein theoretischer Basis eine zu erzielende Hall-Spannung errechnet wird. ι;

Wie oben ausgeführt, ist das maßgebende Kriterium in der Ladungsträgergeschwindigkeit und nicht in der Beweglichkeit zu sehen. Wird jedoch eine hohe Ladungsträgergeschwindigkeit nur durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes herbeigeführt, so wird dies infolge damit verbundener Wärmeentwicklung im Halbleiterplättchen zu einer Bauelementzerstörung führen, wie es sich zweifellos schon in der Praxis gezeigt haben dürfte. Bekanntlich stellt der spezifische Widerstand eines Halbleitermaterials eine Funktion der 2s Störstellenkonzentration dar, die berücksichtigt werden muß, da hierdurch ebenfalls Ladungsträger- und Hall-Beweglichkeit beeinflußt werden, wie auf Seite 40 a. a. O. gezeigt.

D'-i bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung erfordern daher für ihren Betrieb bestimmte Mindestkriterien. Zunächst muß das Halbleiterplättchen, gleichgültig welcher Art, so zubereitet werden, daß sich im hier beschriebenen Fall ein Quadrat-Flächenwiderstand von mehr als etwa 500 Ω einstellt. Ein solcher Quadrat-Flächenwiderstand ergibt sich aus der Wahl der Dicke des Halbleiterplättchens und der Höhe der Störstellenkonzentration, wie dies ja an sich bekannt ist. Verschiedene Verfahren zur Einstellung der Störstellenkonzentration sind ebenfalls bekannt. Ein weiterhin zu erfüllendes Kriterium besteht darin, ein elektrisches Erregungsfeld in der Größenordnung von mindestens 500 V/cm anzulegen, um die erforderlichen Ladungsträgergeschwindigkeiten für größere Hall-Spannungen zu erzielen.

Die Beachtung dieser Kriterien führt zu einem in seiner Art einmaligen Halleffekt-Bauelement mit speziellen Betriebsverhältnissen, so daß hiermit ein bisher unbekanntes Ergebnis vorliegt, welch letzteres zudem noch im Widerspruch zur allgemein anerkannten Ansicht über Halleffekt-Bauelemente stehen dürfte.

In der graphischen Darstellung nach Fig.4 ist die Ladungsträgerbeweglichkeit als Funktion des Quadrat-Flächenwiderstandes aufgetragen. Die jeweilige Störstellenkonzentration Nd ist ebenfalls angegeben, und zwar als Anzahl der Donatoren pro cm³, wobei die Kurve für N-leitendes Silicium gilt Aus dem Diagramm geht hervor, daß der Quadrat-Flächenwiderstand und damit die Ladungsträgerbeweglichkeit um so höher ist, je niedriger die Störstellenkonzentration ist

Aus der Gleichung (6) ergibt sich, daß die Hall-Spannung proportional der Driftgeschwindigkeit V_d ist F i g. 6 zeigt die Abhängigkeit der Ladungsträgergeschwindigkeit vom elektrischen Feld für verschiedene Halbleitermaterialien je besonders für Elektronen und Löcher. Hieraus geht hervor, daß bei einem elektrischen Feld mit einer Feldstärke von 3x10* V/cm die Ladungsträgergeschwindigkeit sich der Sättigung nähert und daß eine Geschwindigkeit von 10⁷cm/s im wesentlichen vom Halbleitermaterial und Ladungsträgertyp (Löcher oder Elektronen) unabhängig ist. Aus F i g. 6 geht somit hervor, daß ein elektrisches Feld von 3XlO⁴ V/cm anzustreben ist und daß die Hall-Spannung dann unabhängig vom Halbleitermaterial oder Art der Ladungsträger ist. Zur Bereitstellung eines derartigen Feldes müssen die dargelegten Kriterien mit Bezug auf den Mindest-Quadrat-Flächenwiderstand des Halbleiterplättchens unbedingt beachtet werden. Wie gesagt, ist dann die Zusammensetzung des Halbleitermaterials oder Art der Ladungsträger zum Erzielen einer möglichst großen Hall-Spannung unwesentlich, vorausgesetzt nur, daß die Zweifachbedingung aus speziellem Quadrat-Flächenwiderstand und einwirkendem elektrischen Feld erfüllt ist. Somit ist hervorzuheben, daß die Kriterien für elektrisches Feld und Quadrat-Flächenwiderstand gleichzeitig erfüllt sein müssen, um ein Halleffekt-Baueiement gemäß der Erfindung zu erhalten, das nicht durch Überlastung zerstört wird. Unterhalb entsprechender Grenzwerte kann zwar ein derartiges Halbleiter-Bauelement betrieben werden, jedoch lassen sich dabei nicht die verbesserten Betriebseigenschaften erzielen.

Im Zusammenhang mit Fig.5A und 5B soll ein praktisch ausgeführtes Beispiel der Erfindung beschrieben werden, das in FET-Technik hergestellt ist Hierbei werden Störstellenkonzentration und Eindringtiefe der Fremdatome mit Hilfe einer entsprechend zu bedienenden Ionenimplantationsanlage eingestellt. Die Technik der Ionenimplantation zur Steuerung von Fremdatomkonzentration und der Eindringtiefe in Halbleitern ist allgemein bekannt Da Ionenimplantation nur eine Methode zur Einstellung und Störstellenkonzentration und Kanaltiefe in FET-Halbleitern ist und viele andere Methoden ebenso bekannt sind, erübrigt sich hier eine ins einzelne gehende Beschreibung. Das Halleffekt-Bauelement muß in Halbleitermaterialien, wie Silicium, Germanium oder Galliumarsenid, eine derartige Störstellenkonzentration aufweisen, daß die Anzahl der Donatoratome pro cm³ gemäß graphischer Darstellung in Fig.4 allgemein im Bereich unterhalb von 10¹⁸ liegt, wobei sich ein Quadrat-Flächenwiderstand von mindestens 500 Ω eingestellt

Das in den F i g. 5A und 5B gezeigte Ausführungsbeispiel ist ähnlich aufgebaut wie das Halleffekt-Bauelement nach Fig.3. Die in Fig.5A gezeigte Draufsicht läßt zwei durch Ionenimplantation gebildete Haibleiterzonen 6 erkennen, zwischen denen eine diese trennende Diffusionszone als Elektrode G mit einem Leiter als E'ektrode des Halleffeki-Bauelemenls liegt. Die anderen Enden dieser Halbleiterzonen 6 werden durch weitere Diffusionszonen Cz und Ci abgeschlossen, die die anderen Elektroden des Halleffekt-Bauelements tragen. Die Vorsprünge 4 sind an einer Kante der Halbleiterzonen 6 angeordnet (bei H\, H2), so daß hierdurch im wesentlichen die jeweilige Länge L der Halbleiterzonen 6 halbiert wird. Die gezeigten, die Hallelektroden tragenden Vorsprünge 4 sind bevorzugt von der Art, daß ein schmaler Implantationsbereich aus der jeweiligen Halbleiterzone hervorragt, so daß beim Anbringen eines jeweiligen Anschlusses über eine Diffusionszonenelektrode keine weiteren Fremdatome in die eigentlichen Halbleiterzonen 6 des Hall-Halbleiterplätichens gelangen können. Andere Möglichkeiten zum Anbringen von Anschlüssen an die Hallelektroden sind ebenfalls brauchbar, wie beispielsweise durch direkte galvanische Verbindung mit einem Mikrokon-

takt usw. Der jeweilige Diffusionszonenanschluß auf den Vorsprüngen 4 wird ebenfalls mittels Ionenimplantation über eine besondere Maske hergestellt, so daß sich die Geometrie des Implantationsbereiches so genau beherrschen läßt wie es für Lage und Breite des jeweiligen Hallelektroden-Anschlusses erforderlich ist.

Die schrafficten Bereiche in der Draufsicht der Fig.5A stellen die Halbleiterzonen 6 in einem Halbleitersubstrat 7 dar, das beispielsweise aus Silicium bestehen kann, in welches Donatorionen, wie Phosphor, durch Beschüß mit hoher Energie eingebracht sind. Die Diffusionszonen Ci, Ci, C₃ und die Hallanschlüsse 5, die mit den Hallelektroden auf den Vorsprüngen 4 in Verbindung stehen, werden typischerweise durch über Masken erfolgende Diffusion hergestellt, indem eine verhältnismäßig große Anzahl von Donatorladungsträgern in entsprechend begrenzte Bereiche des Halbleitersubstrat? 7 eingebracht wird. Hierüber wird eine Siliciumdioxidschicht 8, die sich über die gesamte Oberfläche erstreckt und damit die eingebrachten Implantationszonen abdeckt, niedergeschlagen. An entsprechenden Stellen werden zum Kontaktieren mit den Leitern Anschlußlöcher durch die Siliciumdioxidschicht 8 geätzt, um dann Aluminiumleiter auf die Siliciumdioxidschicht niederzuschlagen, welche durch die zuvor eingeätzten Anschlußlöcher hindurch Kontakte zu den Diffusionsbereichen Ci, C? und Cj sowie zu den Hallelektrodenanschlüssen auf den Vorsprüngen 4 herstellen.

Der in F i g. 5B gezeigte Querschnittsausschnitt des in Fig.5A gezeigten Halleffekt-Bauelements läßt erkennen, daß die Halbleiterzonen 6 bis zu einer Tiefe Xd in das Halbleitersubstrat 7 eingebracht sind, indem bei Implantation die Energie der Ionen entsprechend eingestellt wird. Das Siliciumsubstrat weist eine Konzentration von etwa 5 χ ΙΟ¹⁵ Akzeptoratomen pro cm³ auf. Die Diffusionszonen Ci, Ci, C₃ und die Hallelektrodenanschlüsse 5 haben eine Konzentration von etwa 2 χ 10¹⁹ Donatoren pro cm³, so daß hierdurch Bereiche relativ hoher Leitfähigkeit erzielt werden. Aus dieser Querschnittsdarsl^lung läßt sich fernerhin die sich über die gesamte Oberfläche erstreckende Siliciumdioxidschicht 8 erkennen. Wie bereits gesagt, sind hierin Anschlußlöcher an den betreffenden Stellen eingeätzt, so daß die Aluminiumleiter 9 durch die Anschlußlöcher hindurch mit den verschiedenen Diffusionszonen bzw. Anschlüssen in Kontakt kommen können.

Die Hallelektrodenanschlüsse auf den Vorsprüngen 4 sollten so klein wie möglich sein, da die Empfindlichkeit eines Halleffekt-Halbleiterbauelements proportional mit dem Verhältnis des Anschlußbereichs zur Kanallänge L abnimmt Technische Daten für ein typisches, bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung lassen sich unter Verwendung eines Siliciumsubstrats wie folgt angeben:

Substrat-Fremdatomkonzentration von ungefähr 5 χ 10¹⁵ Akzeptoren pro cm³,
Phosphor als Ionenimplantationsmaterial,
Implantationsdosierung von 150 keV, bemessen für eine Dichte von etwa 2 χ ί O¹² Donatoren pro cm²,

Implantatior.'tiefe von ungefähr 180 nm,
Quadrat-Flächenwiderstand eines Implantationsbereichs mit ungefähr 10 kD.

Mit einem derartigen Halleffekt-Halbleiterbauelement lassen sich bei unten noch angegebenen Abmessungen folgende Ergebnisse erzielen:

Breite: ungefähr 37 μπι,
Länge: ungefähr 29 μΐη,

Abmessungen der Vorsprünge 4:
Breite von ungefähr 2,5 μπι,
Länge ungefähr 2,5 μΐη,
Steuerspannungen an den Diffusionszonen C;
und Cs:

jeweils 10 V,

Hall-Spannung von ±150 mV bei einem magnetischen Erregerfeld von +60 000 A/m, senkrecht zur Hall-Halbleiterplättchenobertiäche gerichtet, und bereitgestellt von einem Dauermagneten, mit einer Ausgangsempfindlichkeit von ungefähr 2,3 mV m/A.

Dies entspricht einem äquivalenten Ausgangssignal von annähernd 18 mV/T, was größenordnungsmäßig dem 20fachen einer durchschnittlichen Ausgangsempfindlichkeit eines herkömmlichen Halleffekt-Bauelements mit angeblich hoher Empfindlichkeit entspricht.

Hier seien noch zusätzliche Hinweise angebracht. Zunächst ist es unwesentlich, ob die Störstellenatome Löcher oder Elektronen bereitstellen, wie bereits aus Fig.6 ersichtlich, wo die Ladungsträgergeschwindigkeit in cm/s, bezogen auf das elektrische Feld für Silicium, Germanium oder Galliumarsenid sowohl für Elektronen als auch für Löcher dargestellt ist. Während gewisse Unterschiede bei relativ niedrigen Feldwerten auftreten, ist klar ersichtlich, daß sich sowohl für Elektronen als auch für Löcher bei elektrischen Feldwerten im Bereich von 3 χ 10⁴ V/cm die Ladungsträgergeschwindigkeit Werten von 10⁷ cm/s In all diesen Halbleitermaterialien nähert. Bei niedrigeren Werten der elektrischen Feldstärke ist zwar noch Betrieb möglich, die Ladungsträgergeschwindigkeit ist jedoch erheblich abgesunken und damit die resultierende Empfindlichkeit, die dann schließlich vom Halbleitermaterial und Ladungsträgertyp abhängig wird. Die sich ergebende Wirkung übertrifft aber trotzdem bei weitem noch das bisher mögliche, solange nur die kleinste

so elektrische Feldstärke 500 V/cm und der kleinste Quadrat-Flächenwiderstand 500 Ω beträgt. Es dürfte aber zu beachten sein, daß das im obigen Beispiel erzeugte elektrische Feld, wo 10 V über einer Halbleiterzonenlänge von ungefähr 25 μπι angelegt sind, bereits in der Größenordnung von 10⁴ V/cm liegt, so daß entsprechende Ladungsträgergeschwindigkeiten mit daraus resultierender hoher Empfindlichkeit erreicht werden. Dies entspräche aber genau dem Wert, bei dem, wie bisher behauptet, die Ladungsträgerbeweglichkeit mit steigender Feldstärke abzunehmen beginnt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halleffekt-Bauelement, bestehend aus zumindest einem Hall-Halbleiterplättchen, mit zum Anschließen der den Steuerstrom liefernden Steuerspannungsquelle an gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterplättchens angebrachten Steuerelektroden und mit einer in der Mitte zwischen zwei Steuerelektroden am Hall-Halbleiterplättchen ange- go brachten, Hallelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß der Quadrat-Flächenwiderstand des Hall-Halbleiterplättchens mehr als 500 Ω beträgt und die am jeweiligen Hall-Halbleiterplättchen angeschlossene Steuerspannungsquelle eine elektrisehe Feldstärke von mindestens 500 V/cm im Hall-Halbleiterplättchen erzeugt

2. Halleffekt-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quadrat-Flächenwiderstano des Hall-Halbleiterplättchens zwischen 1000 und 100 000 Ω, vorzugsweise aber zwischen 5000 und 20 000 Ω liegt und daß die elektrische Feldstärke im Hall-Halbleiterplättchen auf einen Wert zwischen 1500 und 100 000 V/cm, insbesondere zwischen 3000 und 30 000 V/cm eingestellt ist

3. Halleffekt-Bauelement nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch zwei benachbart zueinander angeordnete Hall-Halbleiterplättchen (1) mit hierzwischen angebrachter, gemeinsamer mittlerer Steuerelektrode (3) an der der eine mit Masse verbundene Pol der Steuerspannungsquelle liegt, während der andere Pol (+V; der Steuerspannungsquelle mit den beiden äußeren Stcuerelektroden (2) verbunden ist.

4. Halleffekt-Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Form von in einem Halbleitersubstrat (7) eingebrachten Halbleiterzonen (6) vorliegenden Halbleiterplättchen zwischen Diffusionszonen (Q, Ci, C3) mit einer Störstellenkonzentration von etwa 10¹⁹ Störstellen pro cm³ als Steuerelektroden liegen und daß die Hallelektroden an Vorsprüngen (4) der Seitenkanten der Halbleiterzonen (6) ausgebildet sind (F i g. 5).

5. Halleffekt-Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (7) eine Fremdatomkonzentration von etwa 5 · 10¹⁵ Fremdatomen pro cm³ und die Halbleiterzonen (6) etwa 2 ■ 10¹² Fremdatomen pro cm³ aufweisen.