DE60120966T2

DE60120966T2 - Magnetfeldsensor

Info

Publication number: DE60120966T2
Application number: DE60120966T
Authority: DE
Inventors: Timothy Malvern ASHLEY; Charles Thomas Malvern ELLIOTT; Timothy Jonathan Malvern PHILLIPS
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2001-05-02
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2021-05-03
Also published as: EP1287371B1; US6809514B2; AU2001252389A1; MY124817A; CN1311241C; KR100789119B1; JP4896338B2; DE60120966D1; US20030094943A1; KR20030034075A; GB2362505A; GB0012014D0; HK1055331A1; TWI243254B; ATE331225T1; CN1429342A; EP1287371A1; JP2003533894A; RU2238571C2; WO2001088561A1

Description

Diese Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor aus Halbleitermaterial.
Bevor der Stand der Technik betrachtet wird, werden Halbleitereigenschaften erläutert. Halbleiter-Magnetfeldsensoren arbeiten unter Verwendung von Wirkungen des elektrischen Transports, wobei es im Allgemeinen drei wichtige Leitungsarten gibt: ungesättigte extrinsische Leitung, gesättigte extrinsische Leitung und intrinsische Leitung, die bei niedriger, mittlerer bzw. hoher Temperatur auftreten. Bei der ungesättigten extrinsischen Leitungsart ist eine unzureichende Wärmeenergie vorhanden, um alle Störstellen zu ionisieren, und die Ladungsträgerkonzentration ist temperaturabhängig, da durch eine Temperaturerhöhung mehr Störstellen ionisiert werden. Ladungsträger werden von Dotierstoff-Störstellen einer einzigen Art aktiviert, d. h. Donatoren oder Akzeptoren. Eine Leitung erfolgt im Wesentlichen infolge einer Art von Ladungsträgern in einem Band, d. h. Elektronen im Leitungsband oder Löcher in dem Valenzband, jedoch nicht beide. Die gesättigte extrinsische Leitungsart ist ähnlich, tritt jedoch bei höheren Temperaturen auf, bei denen tatsächlich alle Störstellen ionisiert werden, es steht jedoch keine ausreichende Wärmeenergie zur Verfügung, um bedeutende Anzahlen von Valenzbandzuständen zu ionisieren, Paare aus Elektron-Loch zu erzeugen: hier ist die Ladungsträgerkonzentration im Wesentlichen temperaturunabhängig.
Bei der intrinsischen Leistungsart gibt es einen wesentlichen Beitrag zur Leitung aus der thermischen Ionisierung von Valenzbandzuständen, wodurch beide Ladungsträgerarten erzeugt werden, d. h. Elektron-Loch-Paare, zusätzlich zu Ladungsträgern eines Typs, die aus Störstellen aktiviert werden. Eine Leitung erfolgt infolge beider Arten von Ladungsträgern in beiden Bändern, d. h. Elektronen im Leitungsband und Löcher im Valenzband. Die elektrische Leitfähigkeit ändert sich bei diesem Regime mit der Temperatur, da die Konzentration von Elektron-Loch-Paaren temperaturabhängig ist. Es gibt einen zwischen der extrinsischen und der intrinsischen Betriebsart liegenden Übergangsbereich, in dem die Leitung teilweise extrinsisch und teilweise intrinsisch erfolgt, wodurch ein Typ des Ladungsträgers stärker vorkommt als der andere, d. h. Majoritätsträger und Minoritätsträger: dies ist für Ge bei oder nahe bei der Umgebungstemperatur von der Dotierung abhängig. Die Einsetztemperatur der Störstellenleitung hängt von dem Bandabstand und der Dotiermittelkonzentration ab; sie kann unter der Umgebungstemperatur auftreten, z. B. bei 150 K bei Halbleitern mit geringem Bandabstand bei einer schwachen Dotierung.
Materialien wie Si und GaAs mit einer gesättigten extrinsischen Betriebsart bei Raumtemperatur sind bevorzugt für Magnetfeldsensor-Anwendungen trotz ihrer schlechten Mobilitätseigenschaften: Das ist der Fall, da der Hall-Effekt oder der Widerstand im Wesentlichen temperaturunabhängig sein muss. In Analogie zu Ge, das dann, wenn es ausreichend rein ist, bei Umgebungstemperatur intrinsisch ist, wird schwach dotiertes Si gelegentlich fälschlicherweise als intrinsisch bezeichnet, wie etwa bei PIN-Dioden, bei denen der Bereich mit großem spezifischen Widerstand I (der "intrinsische" Bereich) bei Umgebungstemperatur tatsächlich intrinsisch ist. Das reinste Si, das gegenwärtig zur Verfügung steht, ist um mehr als eine Größenordnung zu unrein, damit es bei Umgebungstemperatur intrinsisch ist.
Magnetfeldsensoren, die Halbleitermaterialien enthalten, sind seit vielen Jahren bekannt. Sie enthalten:

(a) Magnetwiderstand-Sensoren, deren elektrischer Widerstand sich in Reaktion auf ein angelegtes Magnetfeld ändert; und
(b) Hall-Effekt-Sensoren, die auf ein Magnetfeld reagieren, indem sie eine Spannung; erzeugen, die dem Sensorstrom und der Feldstärke proportional ist.

Der elektrische Widerstand R_M eines extrinsischen Magnetwiderstand-Sensors in einem Magnetfeld B ist gegeben durch: RM = R0 (1 + μ2B2) (1)wobei μ die Ladungsträgermobilität ist und R₀ der Sensorwiderstand beim Fehlen eines Magnetfelds ist. Der Magnetwiderstandsbeitrag zur Gleichung (1) ist μ²B²R₀, der sich mit dem Quadrat sowohl der Mobilität als auch des Magnetfelds ändert.
Eine herkömmliche Hall-Effekt-Sensoranordnung enthält einen rechtwinkligen Block aus Halbleitermaterial, das einen longitudinalen Strom in einem in Querrichtung verlaufenden Magnetfeld transportiert: Dies erzeugt eine Hall-Spannung V_H, die sowohl zum Feld als auch zum Strom senkrecht verläuft. Für einen extrinsischen Halbleiter, der in dieser Weise angeordnet ist, ist V_H gegeben durch:
wobei

E_y =: elektrisches Feld des Hall-Effekts;
t_y =: Halbleiter-Dickenabmessung, über die V_H gemessen wird;
n =: Ladungsträgerkonzentration;
e =: Ladung auf jedem Ladungsträger (negativ für Elektronen, positiv für Löcher);
j_x =: Stromdichte im Halbleiter pro Einheit der Querschnittsfläche;
B_z =: Magnetfeld; und

Bei einem extrinsischen Leitungstyp mit einem Typ des Ladungsträgers ist der Hall-Koefizient R_H definiert als
Die Situation ist komplizierter als in Gleichung (3) angegeben, wenn der Halbleiter in einem intrinsischen Betrieb mit zwei Typen von Ladungsträgern ist.
Die spezifische Leitfähigkeit σ eines Material ist gegeben durch σ = neμc (4)wobei μ_c Leitfähigkeitsmobilität ist.
Ein Trägermobilitätswert μ_H, der als die Hall-Mobilität bezeichnet wird, kann erreicht werden, indem die Gleichungen (3) und (4) miteinander multipliziert werden, d. h. μH = σRH (5)
Wenn die Leitung extrinsisch erfolgt, unterscheidet sich die Hall-Mobilität von der Leitfähigkeitsmobilität um einen numerischen Faktor, dessen Amplitude von dem Träger-Streumechanismus abhängt. Hall- und Leitfähigkeitsmobilitäten folgen jedoch den gleichen allgemeinen Prinzipien und werden im Folgenden gleich behandelt und als μ bezeichnet. Wenn die Leitung intrinsisch ist, ist der Ausdruck für den Hall-Koeffizienten komplexer und vom Magnetfeld abhängig.
Eine große Hall-Spannung ist zur einfachen Messung erwünscht; sie kann durch die Verwendung einer hohen Stromdichte erreicht werden, die einen geringen spezifischen Widerstand, um eine Verlustleistung zu begrenzen, und dadurch eine hohe Trägermobilität erfordert. Es ist für Magnetwiderstand-Sensoren außerdem erwünscht, dass sie eine hohe Trägermobilität besitzen, um den Widerstand und dadurch den Leistungsverbrauch zu verringern und um die Empfindlichkeit des Magnetwiderstands auf ein Magnetfeld zu vergrößern, bei dem festgestellt wurde, dass es sich mit dem Quadrat der Mobilität von Gleichung (1) ändert. Halbleiter mit geringem Bandabstand, wie etwa InSb oder InAs, erfüllen dieses Mobilitätskriterium am besten. InSb besitzt eine Elektronenmobilität μ_e von 8 m²V^–1s^–1, die nahezu das Zehnfache der Elektronenmobilität von GaAs ist, die 0,85 m²V^–1s^–1 beträgt und wiederum besser als die Elektronenmobilität von Si ist.
Trotz ihrer ausgezeichneten Mobilitätseigenschaften werden Halbleiter mit geringem Bandabstand nicht allgemein für Hall-Effekt- oder Magnetwiderstand-Sensoren verwendet, da sie bei Umgebungstemperatur intrinsisch sind. Dies hat einen niedrigen Hall-Koeffizienten und eine niedrige Hall-Spannung sowie einen Hall-Koeffizienten und eine Hall-Spannung, die sich mit der Temperatur ändern, zur Folge; dies steht mit einer wichtigen Forderung eines Magnetfeldsensors im Widerspruch, und zwar, dass seine Reaktion auf ein Magnetfeld verhältnismäßig unempfindlich auf eine Temperaturänderung sein sollte. Eine weitere Konsequenz aus dem intrinsischen Betrieb besteht darin, dass der Hall-Effekt nichtlinear zum Magnetfeld ist (der Magnetwiderstand ändert sich unabhängig vom Betrieb mit dem Quadrat des Magnetfelds). Diese Probleme haben Einschränkungen auf die Verwendung von Halbleitern mit geringem Bandabstand in Magnetfeldsensoren, die bei Raumtemperatur (290K) oder darüber arbeiten, bewirkt: Sie müssen im Einzelnen stark dotiert sein, um die Temperaturabhängigkeit ihrer Trägerkonzentration zu verringern (d. h., um sie extrinsisch zu machen). Dies steht der Aufgabe ihrer Verwendung entgegen, da es ihre Trägermobilität beträchtlich verringert, was ihrem Vorteil entgegenwirkt.
Herkömmliche Magnetfeldsensoren werden im gesättigten intrinsischen Betrieb betrieben, wobei die Trägerkonzentration weit gehend konstant ist und keine unerwünschten Änderungen im Widerstand und Hall-Effekt erzeugt. Die Temperaturabhängigkeit von Widerstand und Hall-Effekt entsteht jedoch aus der Mobilitätsverringerung bei der Erhöhung der Temperatur infolge von erhöhter Photonenstreuung und dem Einsetzen der Elektronen-Loch-Streuung.
Magnetsensoren des Standes der Technik auf der Grundlage der Silicium-Technologie sind physikalisch robust und werden von der Motorindustrie in rauen Umgebungen weit verbreitet verwendet: Sie werden z. B. in bürstenlosen Antriebsmotoren für Compact Disks (CDs) verwendet, wenn ein geringes Geräusch vorrangig ist. Bei ihnen besteht jedoch das allgemeine Problem der temperaturabhängigen Empfindlichkeit und darüber hinaus ist ihre Empfindlichkeit für einige Anwendungen unzureichend. Die europäische Patentanmeldung Nr. 0 829 732 betrifft einen Magnetsensor mit einem aktiven InSb-Bereich, in dem die Trägerdichte durch Dotierung des n-Typs in Bezug auf eine Temperaturänderung stabilisiert ist.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine alternative Form des Magnetfeldsensors zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Magnetfeldsensor, der ein Halbleiterelement mit einem aktiven Bereich, in dem während des Betriebs ein von einem Magnetfeld abhängiges Signal und ein Vorspannungsstrom für den aktiven Bereich entwickelt werden, umfasst, wobei der Sensor einen Übergang in der Nähe des aktiven Bereichs und Mittel zum Erfassen des von dem Magnetfeld abhängigen Signals umfasst und wobei der aktive Bereich wenigstens teilweise intrinsisch ist, wenn er nicht vorgespannt ist und eine normale Betriebstemperatur hat, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor Mittel umfasst, um den Übergang vorzuspannen, damit er ausschließend oder extrahierend wirkt, um einen intrinsischen Beitrag zu der Leitung im aktiven Bereich zu verringern und um Ladungsträger vorherrschend auf lediglich einen Typ, der einem extrinsischen, gesättigten Betrieb entspricht, zu beschränken.
Übergänge, die vorgespannt werden können, der oben angegebenen Art sind an sich bei Photodioden aus dem US-Patent Nr. 5.016.073 bekannt.
Die Erfindung schafft den Vorteil, dass Magnetfeldsensoren aus einem Material mit hoher Mobilität hergestellt werden können, das bisher infolge der intrinsischen Leitung als ungeeignet betrachtet wurde. Bei einem Hall-Effekt-Sensor ist es ferner möglich, eine bessere Linearität des Hall-Effekts als eine Funktion des Magnetfelds zu erreichen: Dies ist eine Folge der Verringerung der intrinsischen Leitung, d. h. der Entfernung von Elektronen und Löchern in gleicher Anzahl und der Änderung der Leitung sowohl im Leitungs- als auch Valenzband auf eine Leitung im Wesentlichen in einem Band durch lediglich einen Träger. In der Praxis ist die intrinsische Leitung nicht vollständig beseitigt, sondern lediglich auf vernachlässigbare Verhältnisse verringert.
Der vorspannbare Übergang kann ein ausschließender Kontakt sein, um Minoritätsträger aus dem aktiven Bereich auszuschließen, und kann ein Homokontakt zwischen Indium-Antimonid-Materialien mit unterschiedlichen Dotierungskonzentrationen oder ein Heteroübergang zwischen Indium-Antimonid und einem Material, das einen breiteren Bandabstand als Indium-Antimonid aufweist, sein.
Der Sensor kann ein kreuzförmiger Hall-Effekt-Sensor mit einem mittigen Bereich sein, von dem sich vier Schenkel erstrecken, wobei wenigstens ein Schenkel mit einem ausschließenden Kontakt verbunden ist, um die Minoritätsträger-Konzentration des aktiven Bereichs unter Vorspannung zu verarmen, wobei ein erstes Schenkelpaar mit einer Stromversorgung verbunden werden kann und ein zweites Schenkelpaar mit einer Hall-Spannungs-Messvorrichtung verbunden werden kann. Jeder Schenkel kann mit einem entsprechenden ausschließenden Kontakt verbunden sein und jeder Schenkel des zweiten Schenkelpaars kann einen konisch zulaufenden Abschnitt in der Nähe des mittigen aktiven Bereichs haben.
Der vorspannbare Übergang kann ein extrahierender Übergang sein, um Minoritätsträger aus dem aktiven Bereich zu extrahieren. Er kann ein Übergang zwischen zwei Sensorbereichen aus Materialien mit unterschiedlichem Minoritätsträgertyp und unterschiedlichem Bandabstand sein und kann ausreichend dick sein, um einen Elektronen-Tunneleffekt durch ihn hindurch zu verhindern, und ausreichend dünn sein, um eine Entspannungsbeanspruchung in Materialien, die ihm zugeordnet sind, zu vermeiden. Er kann ein Heteroübergang aus InSb des n-Typs und In_1-xAl_xSb sein, wobei x im Bereich von 0,15 bis 0,5, oder im Bereich von 0,15 bis 0,2 liegt oder im Wesentlichen 0,15 beträgt.
Der Sensor kann kreuzförmig sein und vier Schenkel und einen mittigen Bereich umfassen und vier aufeinander folgend angeordnete Schichten aufweisen, wovon zwei benachbarte Schichten von einem Majoritätsträgertyp sind und zwei andere benachbarte Schichten von dem anderen Majoritätsträgertyp sind, wobei der Übergang ein Heteroübergang zwischen einer Schicht des aktiven Bereichs und einer weiteren Schicht mit anderem Bandabstand und anderem Majoritätsträgertyp sein kann, wobei ein erstes Schenkelpaar mit einer Stromversorgung verbunden werden kann, ein zweites Schenkelpaar (14b, 14d) mit einer Hall-Spannungs-Messvorrichtung verbunden werden kann, und der Extraktionsübergang mittels einer Sensorsubstratverbindung in Gegenrichtung vorgespannt werden kann. Die vier aufeinander folgend angeordneten Schichten können eine n⁺nnp⁺-Struktur sein und das zweite Schenkelpaar kann in der Nähe des mittigen Bereichs einen konisch zulaufenden Abschnitt haben. Das zweite Schenkelpaar kann einen Kontaktbereich, der an den mittigen Bereich angrenzt, haben, dessen Breite weniger als 10 % der Schenkelbreite jedes Schenkels des ersten Schenkelpaars beträgt.
Der Übergang kann für einen Extraktionsstromfluss in einer Richtung, die zu der Ladungsträgerablenkung durch ein Magnetfeld im Normalbetrieb im Wesentlichen senkrecht ist, ausgelegt sein.
Der aktive Bereich in dem Sensor kann vom p-Typ sein und der vorspannbare Übergang kann extrahierend sein. Er kann mit einer dominierenden Quelle von Ladungsträgern in Form einer δ-Dotierungsschicht versehen sein. Er kann einen Quantentopf enthalten, in dem ein Leitungsweg vorgesehen ist. Der Sensor selbst kann eine n⁺ p-Quantentopf-p^–-p⁺-Diodenstruktur sein.
Der Sensor kann alternativ eine n⁺-p-p⁺-p⁺-Diodenstruktur sein.
In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfelds unter Verwendung eines Magnetfeldsensors, der ein Halbleiterelement mit einem aktiven Bereich, in dem während des Betriebs ein von einem Magnetfeld abhängiges Ausgangssignal und ein Vorspannungsstrom entwickelt werden, umfasst, wobei der Sensor einen Übergang in der Nähe des aktiven Bereichs und Mittel zum Erfassen des Ausgangssignals umfasst, wobei der aktive Bereich wenigstens teilweise intrinsisch ist, wenn er nicht vorgespannt ist und eine normale Betriebstemperatur hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren das Vorspannen des Übergangs umfasst, um ihn ausschließend oder extrahierend zu machen, um einen intrinsischen Beitrag zur Leitung im aktiven Bereich zu verringern und um Ladungsträger vorherrschend auf lediglich einen Typ, der einem extrinsischen, gesättigten Betrieb entspricht, zu beschränken.
Das Verfahren kann das Vorspannen des aktiven Sensorbereichs auf eine konstante Spannung umfassen, wobei das Ausgangssignal ein Spannungssignal ist.
Der Sensor kann ein Hall-Effekt-Sensor sein, wobei der Schritt des Vorspannens des aktiven Sensorbereichs das Anlegen eines konstanten Vorspannungsstroms an den aktiven Sensorbereich umfasst und das Ausgangssignal ein Stromsignal ist.
Damit die Erfindung vollständiger verstanden werden kann, werden Ausführungsformen der Erfindung im Folgenden lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
1 eine schematische Draufsicht eines Magnetfeldsensors der Erfindung in Form einer Hall-Effekt-Vorrichtung ist;
2 eine Schnittansicht längs der Linien II-II von 1 ist;
3 die Energiebandstruktur des Sensors der 1 und 2 zeigt;
4 die Energiebandstruktur eines weiteren Sensors der Erfindung zeigt;
5 einen weiteren Sensor der Erfindung veranschaulicht;
6 ein Schnitt an den Linien VI-VI von 5 ist;
7 eine Energiebanddarstellung für den Sensor von 5 ist;
8 einen mittigen Bereich des Sensors von 5 veranschaulicht;
9 eine weitere Geometrie für den in 5 gezeigten Sensor angibt;
10 Beiträge zur Elektronenmobilität in InSb des n-Typs unter verschiedenen Bedingungen des Sensorbetriebs veranschaulicht;
11 die Wirkung der Temperaturänderung auf den Hall-Koeffizienten R_H im Gleichgewicht und für extrahiertes InSb veranschau licht;
12 eine Darstellung der Änderung des Hall-Koeffizienten R_H mit der Magnetflussdichte sowohl im Gleichgewicht als auch für extrahiertes InSb veranschaulicht;
13 eine Schaltung für den Sensor von 1 ist;
14 eine Schaltung für den Sensor von 5 ist;
15 eine Schnittansicht eines Magnetfeldsensors der Erfindung in Form einer Magnetwiderstandsvorrichtung ist; und
16 eine Schnittansicht eines Magnetwiderstandssensors der Erfindung ist, der einen Quantentopf enthält.
In den 1 und 2 ist ein Hall-Effekt-Magnetfeldsensor 10 der Erfindung in der Draufsicht bzw. in der Schnittansicht gezeigt. Er enthält eine kreuzförmige Schicht 12 aus Indium-Antimonid (InSb) des n-Typs mit vier Schenkeln 14a bis 14d (die gemeinsam mit dem Bezugszeichen 14 angegeben sind), die sich von einem rechteckigen mittigen Abschnitt 14e erstrecken, wobei die Schenkel 14a und 14c zu den Schenkeln 14b und 14d senkrecht verlaufen. Die distalen Endabschnitte der Schenkel 14 sind mit Bereichen 16a bis 16d (die gemeinsam mit dem Bezugszeichen 16 angegeben sind) bedeckt, die jeweils eine entsprechende InSb-Schicht 17a bis 17d des n⁺-Typs (die gemeinsam mit dem Bezugszeichen 17 angegeben sind) enthalten, auf denen jeweils Aluminium- (Al) Elektroden 18a bis 18d (die gemeinsam mit dem Bezugszeichen 18 angegeben sind) angebracht sind. Der hochgestellte Index "+" bei n⁺ bezeichnet eine viel höhere Dotierungskonzentration als in der Schicht 12.
Der Sensor 10 besitzt ein isolierendes Substrat 20 aus Saphir, Silicium mit hohem spezifischen Widerstand (>50 Ohm/Flächeneinheit) oder isolierendem GaAs. Wie dargestellt ist, ist die InSb-Schicht 12 an dem Substrat 20 durch Klebstoff 22 angebracht, sie kann jedoch alternativ direkt auf einem Substrat, wie etwa halbisolierendes GaAs, gezogen sein. Jede der vier Elektroden stellt einen ohmschen Kontakt mit ihrer entsprechenden InSb-Schicht 12 des n⁺-Typs her und ist an einen entsprechenden Verbindungsdraht 19 gebondet.
3 ist eine Energiebandstrukturdarstellung 30 für die InSb-Schichten 12 und 17 des n-Typs und des n⁺-Typs. Sie zeigt Leitungs- und Valenzbänder 32 und 34 für einen nicht vorgespannten n⁺n-Übergang 36 zwischen den Schichten, die in 2 die Abschnitte 36b und 36d aufweisen.
Der Sensor 10 funktioniert folgendermaßen. Er ist eine Minoritätsträger-Ausschlussvorrichtung, bei der jede Schicht 17 des n⁺-Typs mit der darunter liegenden Schicht 12 des n-Typs einen n⁺n-Homoübergang bildet. Wie oben angegeben wurde, ist der Trägerausschluss an sich in Bezug auf Photodioden aus dem US-Patent Nr. 5.016.073 an Elliott und Ashley bekannt. Eine Vorspannung wird über Kontakte 18a und 18c an einander gegenüberliegende Schenkel 14a und 14c angelegt, wobei der Kontakt 18a in Bezug auf den Kontakt 18c positiv ist. Die Kontakte 18b und 18d an einander gegenüberliegenden Schenkeln 18b und 18d sind Spannungsmesspunkte zum Messen der Hall-Spannung. Da die Schicht 17a des n⁺-Typs stark dotiert ist, besitzt sie eine vernachlässigbare Minoritätsträger(Loch-) Konzentration. Sie ist deswegen in der Lage, Majoritätsträger (Elektronen) von der Schicht 12 aufzunehmen, sie ist jedoch größtenteils unfähig, sie an Minoritätsträger (Löcher) im Hinblick auf deren Mangel zurückzugeben. Der n+n-Homoübergang 17a/12 oder 36 ist deswegen ein ausschließender Kontakt, d. h., Elektronen (Majoritätsträger) fließen ungehindert von der Schicht 12 zur Schicht 17a, jedoch nur ein viel kleinerer Loch- (Minoritätsträger-) Strom fließt in der umgekehrten Richtung von der Schicht 17a zur Schicht 12.
Darüber hinaus werden Löcher aus der Schicht 12 an dem gegenüberliegenden n+n-Homoübergang zwischen den Schichten 17c und 12 entfernt. Demzufolge hat das Anlegen einer Vorspannung über die Kontakte 18a und 18c zur Folge, dass die Minoritätsträgerkonzentration in der Schicht 12 verarmt wird, da aus ihr Löcher entfernt, jedoch nicht vollständig ersetzt werden. Die Majoritätsträgerkonzentration in dieser Schicht muss aus Betrachtungen der Ladungsneutralität um den gleichen Betrag wie die Minoritätsträgerkonzentration fallen; Elektronen und Löcher verringern sich deswegen in gleichen Anzahlen, wodurch sich der intrinsische Beitrag zur Leitung in der Schicht 12 verringert (eine Verringerung des extrinsischen Beitrags würde lediglich den Majoritätsträgertyp beeinflussen). Der ausgeschlossene Bereich, d. h. der Bereich, der auf diese Weise an Ladungsträgern verarmt ist, erstreckt sich durch die Schicht 12 in den Schenkeln 14b und 14d zwischen den Schichten 17a und 17c des n⁺-Typs.
Chrom-Gold- (Cr-Au-) Elektroden können anstelle von Al-Elektroden 18 verwendet werden, indem eine Kristallkeimschicht aus Cr auf der Schicht 17 des n⁺-Typs und anschließend darauf eine dickere Au-Schicht abgelagert wird.
Wie an den Bezugszeichen 39A bis 39C angegeben ist, wobei Teile, die vorher beschrieben wurden, mit gleichen Bezugszeichen angegeben sind, kann jede InSb-Schicht 12 des n⁺-Typs durch eine Schicht 40 aus Material des n-Typs oder alternativ durch zwei Schichten, eine n-Schicht 41 und eine n⁺-Schicht 42 ersetzt werden, dabei gibt eine Unterstreichung bei n (und später ebenfalls bei p) ein Material mit breiterem Bandabstand an als eine nicht unterstrichene Entsprechung, d. h. n. 4 ist eine Bandstrukturdarstellung, die die Folgen der Ersetzung der Schicht 17 durch eine Schicht 40 aus Material des n-Typs aus In_1-xAl_xSb mit x = 0,15 zeigt. Die Leitungs- und Valenzbänder 43 und 44 sind für einen nicht vorgespannten nn-Heteroübergang 64 gezeigt, der zwischen der Schicht 40 des n-Typs und der InSb-Schicht 12 des n-Typs ausgebildet ist.
Eine n-Schicht 40 besitzt eine niedrige Minoritätsträger- (Loch-) Konzentration, da ihr breiter Bandabstand zur Folge hat, dass weniger Elektronen-Loch-Paare thermisch angeregt werden als in einem Material mit schmalerem Bandabstand. Eine Vorspannung, die über die Kontakte 18a und 18c angelegt wird, entfernt Löcher aus der Schicht 12 des n-Typs, die aus der Schicht 40 des n-Typs nicht ersetzt werden können, da sie in dieser Hinsicht einen Mangel aufweist. Ähnliche Anmerkungen gelten für die Schichten 41 und 42.
In 5 ist ein weiterer Hall-Effekt-Sensor 50 der Erfindung gezeigt. Er enthält eine kreuzförmige Struktur 52 aus Indium-Antimonid des n-Typs mit vier Schenkeln 53a bis 53d, die sich von einem rechtwinkligen mittigen Bereich 53e erstrecken (und gemeinsam mit dem Bezugszeichen 53 angegeben sind), wobei die Schenkel 53a und 53c zu den Schenkeln 53b und 53d senkrecht verlaufen. Distale Endabschnitte der Schenkel 53 sind mit entsprechenden InSb-Schichten 54a bis 54d bedeckt (die gemeinsam mit dem Bezugszeichen 54 angegeben sind), auf denen (nicht gezeigte) Aluminiumelektroden montiert sind. Die Abmessungen der Schenkel 53 und der mittige Bereich 53e sind durch Parameter a, b und c angegeben, wobei gilt:
a = Länge des Schenkels 53 + Seite des Rechtecks 53e
b = Länge des Schenkels 53
c = a – b = Breite des Schenkels 53 = Seite des Rechtecks 53e.
6 ist ein Schnitt längs der Linie VI-VI von 5 senkrecht zu der Ebene dieser Figur und zeigt die Schichtstruktur des Sensors 50. Die Figur ist nicht maßstabsgerecht. Der Sensor 50 umfasst eine Schicht 64 aus InSb des p⁺-Typs mit einer Dicke von 2 μm auf einem Substrat 62 aus InSb oder GaAs. Die Schicht 64 ist auf der kreuzförmigen Struktur 52 angebracht, die eine Schicht 66 aus In_1-xAl_xSb des p⁺-Typs mit einer Dicke von 20 nm, wobei x im Bereich von 0,1 bis 0,5 und vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,2 liegt und z. B. 0,15 beträgt, umfasst. Die Schicht 66 ist mit einer Schicht 53 aus InSb des n-Typs mit einer Dicke von 0,5 μm bedeckt, aus der die Schenkel und der mittige Abschnitt 53 gebildet sind. Elektrodenschichten 54b und 54d auf Endabschnitten der entsprechenden Schenkel 53 sind aus InSb des n⁺-Typs mit einer Dicke von 0,3 μm. Die Schichten 54 des n⁺-Typs, die Schicht 53 des n-Typs und die Schicht 66 des p⁺-Typs weisen jeweils zwei Stirnflächen auf, die in entsprechenden Ebenen 74 und 76 liegen und Stirnflächen der Schenkel 53 entsprechen. Die Stirnflächen 74 und 76 grenzen an Feldisolatoren 78, die auf der InSb-Schicht 64 des n⁺-Typs hergestellt sind. Alternativ kann anstelle des Feldisolators eine Schicht aus Polyamid verwendet werden. Al-Kontaktschichten 80 und 82 sind auf jedem InSb-Bereich 54 des n⁺-Typs und ihrem angrenzenden Feldisolator 78 ausgebildet. Das Substrat 62 weist einen fünften Kontakt 84 auf, der ein ohm scher Kontakt ist und aus Aluminium hergestellt ist.
7 stellt die Bandstruktur des Sensors 50 beim Fehlen einer angelegten Vorspannung dar und umfasst ein Leitungsband 102, ein Valenzband 104 und ein Fermi-Niveau 106. Die Schichten 54 des n⁺-Typs bilden vier n⁺n-Homoübergänge mit den Schenkeln 53 des n-Typs an ersten Grenzflächen 108; die Schenkel des n-Typs und der mittige Abschnitt 53 bilden einen np-Heteroübergang mit der Schicht 66 des p⁺-Typs an einer zweiten Grenzfläche 110; die Schicht 66 des p⁺-Typs bildet einen p⁺p⁺-Heteroübergang mit der Schicht 64 des p⁺-Typs an einer dritten Grenzfläche.
Die Schicht 66 des p⁺-Typs bildet eine Sperre in dem Leitungsband 102, die einen Elektronenfluss von der Schicht 64 des p⁺-Typs zu den Schichten 53 und 54 des n-Typs und des n⁺-Typs verhindert.
Der Sensor 50 arbeitet in der folgenden Weise. Die Halbleiterschichten 64, 66, 53 und 54 bilden vier n⁺npp⁺-Diodenstrukturen, von denen zwei in 6 im Schnitt dargestellt sind. Die Schichten 64, 66, 53 und der np-Übergang 110 sind allen vier Dioden gemein, jede Diode besitzt jedoch eine separate Schicht 54, wie in 5 gezeigt ist. Der np-Übergang 110 ist durch Anlegen einer Spannung zwischen der Substratelektrode 84 und einer der Oberflächenelektroden 82 oder 82 in Gegenrichtung vorgespannt. Dies hat die wichtige Wirkung des Extrahierens von Minoritätsträgern aus dem Bereich 53 des n-Typs zu Folge.
Das Prinzip der Trägerextraktion ist im Stand der Technik bekannt und ist z. B. in dem europäischen Patent Nr. EP 0 167 305 und im US-Patent Nr. 5.016.073 beschrieben. Es enthält das Entfernen von Minoritätsträgern aus einem Halbleiterbereich mit einer größeren Rate als sie ersetzt werden; dies erfolgt an einem vorgespannten pn-Übergang, zu dem Minoritätsträger diffundieren und an dem sie extrahiert werden und für den Bereich verloren gehen. Ein Trägertransport über die Grenzfläche 110 des np-Übergangs umfasst:

(a) einen Leitungsstrom von Majoritätsträgern, der eine ausreichende Wärmeenergie besitzt, um die Potentialsperre des Übergangs zu überwinden; und
(b) einen Diffusionsstrom von Minoritätsträger, die zu dem Übergang diffundieren und durch seinen Potentialabfall über den Übergang gehoben werden.

Dadurch umfasst ein Trägertransport über die Grenzflächen 110, 112 des np-Übergangs:

(a) einen Lochleitungsstrom von dem Bereich 64 des p⁺-Typs zu dem Bereich 53 des n-Typs;
(b) einen Elektronendiffusionsstrom von dem Bereich 64 des p⁺-Typs zu dem Bereich 53 des n-Typs, dieser ist sehr klein, da in p⁺ und p sehr wenige Minoritätselektronen vorhanden sind;
(c) einen Elektronenleitungsstrom von dem Bereich 53 des n-Typs zu dem Bereich 64 des p⁺-Typs, der ebenfalls sehr klein ist; und
(d) einen Lochdiffusionsstrom von dem Bereich 53 des n-Typs zu dem Bereich 64 des p⁺-Typs.

In der folgenden qualitativen Beschreibung der Funktionsweise werden vernachlässigbar kleine Elektronenströme ignoriert.
Beim Fehlen einer Vorspannung sind Loch- und Elektronenströme durch Leitung und Diffusion über alle Grenzflächen 108, 110, 112 ausgeglichen, d. h. der Sensor 50 ist im Gleichgewicht. Eine Vor spannung wird über jede der Diodestrukturen angelegt, so dass der np-Übergang an der Grenzfläche 110 in Gegenrichtung vorgespannt ist; folglich werden Minoritätsträger (Löcher) in der kreuzförmigen Schicht 53 des n-Typs, die zur Grenzfläche 110 diffundieren, durch deren Potentialabfall über die Grenzfläche gehoben. Gleichzeitig sperrt dieser Potentialabfall einen Strom von Löchern von der Schicht 66 zur kreuzförmigen Schicht 53. Die Vorspannung in Gegenrichtung verringert deswegen im Wesentlichen sowohl den Elektronenleitungsstrom von der kreuzförmigen Schicht 53 zu dem Bereich 64 des p⁺-Typs als auch den Lochleitungsstrom von dem Bereich 64 des p⁺-Typs zu der kreuzförmigen Schicht 53. Deswegen werden Löcher aus dem Bereich 53 des n-Typs durch Diffusion entfernt und können wegen der Potentialsperre des in Gegenrichtung vorgespannten np-Übergangs nicht durch Leitung aus dem Bereich 64 des p⁺-Typs vollständig ersetzt werden. Wie oben angegeben wurde, ist dies der Minoritätsträger-Extraktionseffekt.
Die kreuzförmige Schicht 53 des n-Typs empfängt einen vernachlässigbar kleinen Lochstrom (Minoritätsträgerstrom) von den Schichten 54 des n⁺-Typs, da ihre Lochkonzentrationen sehr klein sind: Dies ist der Minoritätsträgerausschlusseffekt. Folglich können Löcher, die in der Schicht 53 zu der Grenzfläche 110 diffundieren und zu der Schicht 66 des p⁺-Typs extrahiert werden, nicht ausreichend von den Schichten 54 des n⁺-Typs erneuert werden und deswegen wird die Minoritätsträgerkonzentration in der kreuzförmigen Schicht 53 verringert. Wie oben beschrieben wurde, muss die Majoritätsträgerkonzentration aus Betrachtungen der Ladungsneutralität um den gleichen Betrag wie die Minoritätsträgerkonzentration fallen, d. h. Elektronen- und Lochkonzentrationen fallen in gleichem Umfang entsprechend der Verringerung von Elektronen-Loch-Paaren: Dadurch ver ringert sich der intrinsische Beitrag zur Leitung in der kreuzförmigen Schicht 53.
Beim Betrieb des Sensors 50 ist der np-Übergang in Gegenrichtung vorgespannt und der Sensor 10 funktioniert mit einem Vorspannungsstrom, der zwischen einem gegenüberliegenden Paar von Kontakten 16a/16c fließt, wobei der positive Kontakt ausgeschlossen ist. Beide Sensoren 10 und 50 arbeiten mit ihren Schichten 12 und 53 des n-Typs, die unter dem Gleichgewicht liegende Konzentrationen von Elektronen-Loch-Paaren aufweisen; diese Schichten sind die aktiven Bereiche für Magnetfeldmessungen und Hall-Spannungen können über Paaren von Kontaktschichten 16b/16d und 15b/15d erfasst werden. Im Sensor 10 liegt die Trägerkonzentration nahe an einem negativ vorgespannten Kontakt wegen einer Trägerakkumulation über dem Gleichgewicht.
8 ist eine dreidimensionale Ansicht des mittigen rechtwinkligen Abschnitts 53e des Sensors 50 gemeinsam mit der unterstützenden Schicht 64 des p⁺-Typs und dem Substrat 62. Schenkel 53 sind durch gestrichelte Linien angegeben. Cartesische Achsen sind mit dem Bezugszeichen 122 angegeben zur Verwendung beim Definieren von Magnetfeld- und Stromflussrichtungen. Die Oberfläche des mittigen rechtwinkligen Abschnitts 53e liegt in der XY-Ebene, besitzt Seiten, die parallel zu der X- bzw. Y-Achse verlaufen und ist rechtwinklig zur Z-Achse. Ein Strom durch den Sensor 50 besitzt eine erste und eine zweite Komponente I_plane und I_⊥, die durch Pfeile 124a und 124b angegeben sind. Die erste Stromkomponente I_plane fließt parallel zur X-Achse im Wesentlichen in der Schicht 53 des n-Typs und zwischen gegenüberliegenden Schenkeln 53a und 53c.
Die zweite Stromkomponente I_⊥ fließt parallel zur Z-Achse und resultiert aus dem Vorspannen der Grenzfläche 110 des np-Übergangs. Genau gesagt, sie fließt deshalb nicht in dem Abschnitt 53e, sondern enthält vier Beiträge, die zu entsprechenden Stirnschichten 54 auf den Schenkeln 53 fließen und ist für eine einfache Bezugnahme in 8 enthalten. Sie entsteht aus der thermischen Erzeugung von Ladungsträgern in der Schicht 53 des n-Typs und deswegen ist der zugehörige Fluss von Löchern in einer Richtung parallel zur Z-Achse an der Schicht 66 des p⁺-Typs entlang im Wesentlichen gleichförmig, wobei der Elektronenfluss für Elektronen, die aus der kreuzförmigen Schicht 53 des n-Typs stammen, seitlich und nach oben zu den Schichten 54 des n⁺-Typs und nicht direkt unter den n⁺-Bereichen 54 erfolgt.
Eine Spannung wird zwischen den Bereichen 54a und 54c angelegt, um den Stromfluss I_plane zu realisieren, der einer Stromdichte j_x entspricht, die parallel zur X-Achse fließt. In 6 kann erkannt werden, dass der Sensor 50 sowohl ein elektrisches Feld zur Extraktion als auch ein elektrisches Feld zur Leitung erfährt. Das Extraktionsfeld wird zwischen der Substratelektrode 84 und jedem der vier Schenkelstirnschichten 54a bis 54d angelegt. Das Leitungsfeld wird zwischen dem ersten Paar von gegenüberliegenden Schenkelstirnschichten 54a und 54c angelegt. Das Extraktionsfeld verursacht die Stromkomponente I_⊥, die ein Diodenverluststrom parallel zur Z-Achse ist. Das Leitungsfeld erzeugt die Stromkomponente I_plane, die eine Stromdichte j_x besitzt, die ein vorherrschender Elektronenfluss in der Schicht 53 des n-Typs ist, da die np-Grenzfläche 110 als eine Sperre für die Felddurchdringung der Schicht 64 des p-Typs wirkt. Der Sensor 50 befindet sich in einem Magnetfeld B_z parallel zur Z-Achse und deswegen senkrecht zur Ebene von 5. Der Strom I_plane und das Magnetfeld B_z entwickeln eine Hall-Spannung in dem mittigen Bereich 53e parallel zur Y-Achse, wobei die Spannung zwischen dem zweiten Paar von Schenkelstirnschichten 54b, 54d gemessen werden kann.
Der Strom I_plane ist im Wesentlichen auf die Schicht 53 des n-Typs begrenzt und die Hall-Spannung wird demzufolge in dieser Schicht entwickelt. Durch die Eigenschaften der Trägerextraktion und des Trägerausschlusses der n⁺npp⁺-Strukturen in dem Sensor 50 wird jedoch der intrinsische Beitrag zur Trägerkonzentration verringert, wie oben beschrieben wurde. Die Leitung und der Hall-Effekt erfolgen vorherrschend infolge der extrinsischen Leitung in einem gesättigten extrinsischen Betrieb bei einer Trägerkonzentration, die weit gehend temperaturunabhängig ist. Darüber hinaus verringert die Extraktion die Trägerkonzentration, die die Elektronen-Loch-Streuung und ihren Einfluss auf die Trägermobilität verringert, die ihrerseits weniger empfindlich auf Temperaturänderungen wird.
In 9 ist eine alternative Form des Sensors 128 gezeigt. Er ist wie der Sensor 50 (wobei gleiche Teile die gleiche Bezeichnung tragen), mit der Ausnahme, dass er Hall-Spannungs-Erfassungsschenkel 53b und 53d aufweist, die angrenzend an den mittigen Abschnitt 53e auf eine Breite d konisch zulaufen. Die Schenkel 53 besitzen dort, wo sie nicht konisch zulaufen, eine Breite c, wobei d kleiner als c ist und d vorzugsweise kleiner als ein Zehntel von c ist.
Im Betrieb des Sensors 50 werden Minoritätsträger aus dem Bereich des mittigen Abschnitts 53e extrahiert. Das Vorspannungsfeld, das den Strom I_⊥ erzeugt, muss deshalb nicht nur Ladungsträger aus den Enden der Schenkel 53a bis 53d, sondern außerdem in dem gesam ten mittigen Bereich 53e aus der Schicht 53 des n-Typs extrahieren. Die Länge jedes Schenkels 53a bis 53d gemeinsam mit dem mittigen Knoten 53e, d. h. die Abmessung a muss ausreichend kurz sein, um zu ermöglichen, dass sich die Extraktion über sämtliche Schenkel 53a bis 53d und den mittigen Knoten 53e erstreckt. Die Weglänge, über die der Hall-Effekt beobachtet wird, muss jedoch ausreichend lang sein, um zu ermöglichen, dass die Ladungsträger abgelenkt werden und ein messbares Signal erzeugen.
Eine Einschränkung in Bezug auf den Sensor 10 ist die Notwendigkeit, eine Ladungsakkumulation in dem mittigen Bereich 14e zu vermeiden. Wenn die Schenkelstirnschichten 16a bis 16c vorgespannt werden, akkumulieren Ladungen an denjenigen Schenkeln, die in Bezug auf die anderen Schenkel negativ vorgespannt sind. Eine Akkumulation muss ausreichend weit entfernt von dem mittigen Bereich 14e erfolgen, um sicherzustellen, dass sie den Trägerausschluss nicht verringert. Dies schafft deswegen eine minimale Länge für jeden der Schenkel 14a bis 14d (in 5 die Abmessung d), die durch die Betriebsbedingungen des Sensors bestimmt ist und durch eine eingangsseitige Diffusionslänge L_d begrenzt ist, die gegeben ist durch:
wobei

E =: angelegtes elektrisches Feld;
q =: Trägerladung;
k =: Boltzmann-Konstante;
T =: absolute Sensortemperatur; und
l =: Nullfeld-Trägerdiffusionslänge.

Die Nullfeld-Trägerdiffusionslänge 1 ist gegeben durch: l = √Dτ (7)wobei

D: = Ladungsträger-Diffusionskoeffizient; und
τ: = mittlere Lebensdauer des Ladungsträgers.

In dem Sensor 50 wird der Hall-Strom I_plane durch den Diodenverluststrom I_⊥ beeinflusst. Um dies zu verringern, ist I_plane vorzugsweise viel größer als I_⊥. I_⊥ ist jedoch von der Vorspannung V_bias über die n⁺pp⁺-Struktur des Sensors 50 abhängig und V_bias muss ausreichend groß sein, um eine wirkungsvolle Extraktion sicherzustellen. Alternativ kann I_plane innerhalb der Begrenzungen, die sich durch die Leistungsdichte ergeben, die der Sensor 50 tolerieren kann, möglichst groß gemacht werden. Dies bedeutet eine kleine Querschnittsfläche, durch die I_plane fließt, und kann durch Verringern von Höhe t_z und Breite c der n-Schicht erreicht werden. Die minimale Höhe der Schicht 53 des n-Typs ist durch die Breite des Verarmungsbereichs festgelegt, die sie unterstützen muss. Dies ändert sich mit dem Dotierungsgrad und der Größe der Vorspannung. Deswegen ist bei vorgegebenem Dotierungsgrad und Vorspannungsstärke die Breite c der Seite der kreuzförmigen Struktur 53 der einzige verbleibende veränderliche Parameter. Geeignete Werte von c werden später erläutert.
Ähnliche Anmerkungen gelten für den Sensor 10, bei dem die Vorspannung ausreichend groß sein muss, um einen adäquaten Trägerausschluss sicherzustellen.
Die Sensoren 10 und 50 weisen Leistungsverbesserungen gegenüber vergleichbaren Vorrichtungen des Standes der Technik auf, wie in den 10, 11 und 12 graphisch dargestellt ist. Diese Darstellungen basieren auf Berechnungen, die eine InSb-Schicht 53 des n-Typs mit einer Donatorstörstellen-Konzentration von 10¹⁶ cm^–3 betreffen. Sie enthalten die Wirkungen sowohl des Elektronen- als auch des Loch-beitrags zum Hall-Effekt und sind deswegen viel komplizierter als früher gemachte Näherungen. Die Trägerkonzentration und deswegen auch der Hall-Koeffizient in den Sensoren 10 und 50 ist nicht vollständig temperaturunabhängig, ihre Änderung ist jedoch für eine Reihe von Anwendungen ausreichend gering (eine Änderung von ~30–40 % über 50 K). Beispiele, die später beschrieben werden, bauen darauf auf.
Bei einem Sensor, die dem Träger aus mehr als einem Band, d. h. sowohl Elektronen als auch Löcher zur Leitfähigkeit beitragen, sind die Ausdrücke für die Hall-Spannung V_H komplizierter und vom Magnetfeld abhängig. Siehe z. B. das Standard-Lehrbuch "The Hall-Effect and Semiconductor Physics", E. H. Putley, herausgegeben durch Butterworth and Co., 1960, Kapitel 4. Die Magnetfeldabhängigkeit ist in Materialien mit einer größeren Mobilität als Silicium stärker ausgeprägt.
Aus den Gleichungen (2) und (3) ergibt sich dann, wenn für die Stromdichte
eingesetzt wird, wobei

t_z =: Sensor-Dickenabmessung parallel zum Magnetfeld;
I_x =: Sensorstromfluss in Längsrichtung senkrecht zum Hall- und Magnetfeld, wobei weitere Parameter früher definiert wurden:

10 zeigt vier Kurven 132 bis 138 der Elektronenmobilität μ_e, die als Funktion der Temperatur dargestellt ist, für InSb des n-Typs für unterschiedliche Streumechanismen und Betriebsbedingungen. Sie veranschaulicht die Temperaturempfindlichkeit des Hall-Koeffizienten R_H für Halbleiter mit geringem Bandabstand, wenn sowohl Elektronen als auch Löcher zur Leitung beitragen. Die erste Kurve 132 entspricht dem Fall, bei dem die Mobilität lediglich durch Streuung von ionisierten Störstellen und von Wechselwirkungen Elektron-Loch beeinflusst ist. Die zweite Kurve 134 gibt die Temperaturänderung der Komponente der Mobilität an, die lediglich durch Streuung optischer Photonen beeinflusst ist. Die dritte Kurve 136 gibt die Trägermobilität an, die aus der Summe der Beiträge resultiert, die zu der ersten und der zweiten Kurve 132, 134 führen. Diese drei Kurven 132, 134 und 136 wurden auf der Grundlage einer im Gleichgewicht befindlichen Trägerkonzentration erzeugt. Die vierte Kurve 138 ist die Änderung der Mobilität als Funktion der Temperatur T, wenn der intrinsische Beitrag zur Leitung extrahiert wurde.
Ein Vergleich der Kurven 136 und 138 zeigt die nützliche Wirkung der Trägerextraktion für Sensoren gemäß der Erfindung, da die Extraktion die Mobilität bei Temperaturen oberhalb von etwa 250 K vergrößert: Unterschiede zwischen der Gleichgewichtskurve 136 und der Extraktionskurve 138 werden bei höheren Temperaturen deutlicher, was zu einem größeren Hall-Koeffizienten und einem größeren Magnetwiderstand führt. Ein Vergleich der Gradienten dieser beiden Kurven zeigt, dass die Änderung der Mobilität mit der Temperatur T außerdem durch Extraktion geringfügig verringert wird. Dies verrin gert die Temperaturabhängigkeit des Hall-Koeffizienten und des Magnetwiderstandes.
11 zeigt zwei Kurven 142 und 144 des Hall-Koeffizienten R_H, der als Funktion der Temperatur für einen InSb-Halbleiter in einem Magnetfeld von 0,3 T im Gleichgewicht bzw. bei Extraktionsbedingungen aufgezeichnet ist. Bei der Gleichgewichtskurve 142 fällt R_H um einen Wert, der nahe bei zwei Größenordnungen liegt, im Intervall zwischen 150 K und 500 K. Die zweite Kurve 144 ist die Änderung von R_H als Funktion der Temperatur für einen Sensor 50, der einer Minoritätsträgerextraktion gemäß der Erfindung unterzogen wird; dabei ist R_H im gleichen Intervall im Wesentlichen temperaturunabhängig, was die ausgezeichneten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Sensoren in Bezug auf die Temperaturunempfindlichkeit zeigt.
12 zeigt vier Kurven 152, 154, 156 und 158 des Wertes von R_H, der als Funktion des Magnetfelds sowohl für Gleichgewicht als auch für extrahiertes InSb unter verschiedenen Temperaturbedingungen aufgezeichnet ist. Sie veranschaulicht die Magnetfeldempfindlichkeit von R_H für Halbleiter mit geringem Bandabstand bei einem intrinsischen Betrieb, wenn sowohl Elektronen als auch Löcher zur Leitung beitragen. Die Kurve 152 ist für einen Extraktionssensor der Erfindung und zeigt, dass R_H wenigstens im Wesentlichen vom Magnetfeld unabhängig ist. Die Kurve 154 ist für einen Sensor bei Gleichgewichtsbedingungen bei 200 K und zeigt, dass R_H lediglich geringfügig vom Feld abhängig ist, wobei der Wert zwischen 0,1 T und 1,5 T um ~3 % abfällt. Die Kurven 156 und 158 sind für einen Sensor bei Gleichgewichtsbedingungen bei 300 K bzw. 400 K, sie zeigen, dass R_H das Vorzeichen wechselt und zwischen 0,1 T und 1,5 T in einem Fall von +200 cm³/C auf –10 cm³/C und im anderen Fall von +30 cm³/C auf –50 cm³/C abfällt. Dies gibt die ausgezeichneten Eigenschaften von erfindungsgemäßen Sensoren in Bezug auf Magnetfeldwirkungen an.
Parameter der Sensoren der Erfindung, die den Betrieb beeinflussen, sind die Folgenden: wobei

(a) Sensor-Betriebtemperaturbereich: Die Sensor-Stromdichte vergrößert sich mit der Betriebstemperatur (z. B. 370 K), was ein Ansteigen von Ladungsträgern bewirken kann, die eine ausreichende Energie besitzen, um die Sperre an der Grenzfläche 110 zu überwinden;
(b) Zusammensetzung der In_1-xAl_xSb-Barrierenschicht 66: Die nachfolgende Tabelle 1 gibt eine Verluststromdichte als eine Funktion der Sensorbetriebstemperatur für einen Bereich der Barrierenmaterialien (x-Werte) und Donator-Konzentrationen N_d an;
(c) Elektrische Ströme: Der Diodenverluststrom beträgt vorzugsweise 1 % des Hall-Stroms I_plane, wobei eine annehmbare Sensormessgenauigkeit bei I_⊥ ~10 % I_plane erreicht werden kann.
(d) Dotierungskonzentration der Schicht 53 des n-Typs: Diese begrenzt den maximalen Strom.
(e) Leistungsdichte: Diese muss in der Schicht 53 auf einen dauerhaften Pegel begrenzt werden, um ein thermisches Durchbrennen zu vermeiden, z. B. ~100 Wcm^–2. Bei dem Sensor 50 ist die Leistungsdichte P_d gegeben durch:
I_plane = Strom, der in der Ebene der Schicht 53 fließt; e = Trägerladung; n = Trägerkonzentration; μ = Trägermobilität in der Schicht 53; l = Sensor-Stromweglänge; und t_z = Dicke der Schicht 53.
(f) Angelegte Spannung: Außer der Hall-Spannung V_H sind zwei weitere Spannungen dem Sensor 50 zugeordnet: eine Spannung V_bias (z. B. 0,5 V) zwischen der Substratelektrode 84 und einer Schenkelelektrode 80 oder 82, die den np-Übergang 110 in Gegenrichtung vorspannt; eine Spannung V_drive zwischen gegenüberliegenden Schenkeln 53a und 53c steuert den Strom I_plane an. Die Spannung V_bias extrahiert thermisch erzeugte Ladungsträger aus dem Bereich des n-Typs und beeinflusst die Dicke der Verarmungsschicht des extrahierenden pn-Übergangs.
(g) Die Dicke t_z der Schicht 53 des n-Typs sollte ausreichend sein, um die pn-Verarmungschicht zu unterstützen: Bei einer Dotierung von 10¹⁶ cm^–3 und V_bias von 1 V beträgt sie vorzugsweise 0,5 μm.
(h) Die Dicke der Schicht 66 des p⁺-Typs beträgt vorzugsweise 20 nm. Diese Schicht erzeugt eine Barriere von ~10 nm oder dicker, die ausreichend ist, um einen Elektronen-Tunneleffekt zu verhindern. Die Barriere ist außerdem ausreichend dünn, (<30 nm), um eine Beanspruchung zwischen ihr und angrenzenden InSb-Schichten aufzuheben.

Ein theoretisches Modell für den Sensor 50 ist wurde verwendet, um geeignete Vorrichtungsparameter festzulegen, die in den Tabellen 1, 2 und 3 erscheinen.
Die Tabelle 1 gibt die Verluststromdichten als eine Funktion der absoluten Temperatur T für eine Vielzahl von unterschiedlichen Dotierungspegeln N_d und Zusammensetzungsparametern x für In_1-xAl_xSb an.
Tabelle 1
Für Werte von x und N_d in Tabelle 1 gibt Tabelle 2 weitere Sensorparameter für eine Betriebstemperatur von 370 K und ein Verhältnis zwischen Verluststrom und in der Ebene liegendem Strom I_⊥/I_plane, das auf den Bereich von 0,9 bis 1,1 % begrenzt ist, an.
Tabelle 2 (T = 370 K; I_⊥/I_plane ~1 %)
Die Werte in Tabelle 3 sind gleichwertig mit jenen der Tabelle 2 mit der Ausnahme, dass das Verhältnis I_⊥/I_plane auf einen Bereich von 10 % bis 12 % vergrößert ist. Die Sensoren 10 und 50 können einen Wert I_⊥/I_plane im Bereich von 1 % bis 10 % aufweisen.
Tabelle 3 (T = 370 K; I_⊥/I_plane ~11 %)
Tabelle 1 zeigt die Schwierigkeit zum Aufrechterhalten einer Verluststromdichte I_⊥ auf einem annehmbaren Pegel bei höheren Betriebstemperaturen. Eine Vergrößerung des Zusammensetzungsparameters x der Barriereschicht 66 verringert die Verluststromdichte I_⊥ und den Ansteuerungsstrom, der erforderlich ist, um ein konstantes Verhältnis I_⊥/I_plane aufrechtzuerhalten; sie verringert außerdem die Sensor-Verlustleistung. Eine Zusammensetzungsänderung durch x von 0,15 auf 0,25 ermöglicht zum Beispiel, dass größere Stromdichten unterstützt werden können und bedeutet, dass die Verluststromdichte von 55 A/cm² für N_d = 10¹⁵ cm^–3 einer Betriebstemperatur von etwa 220 K im Unterschied zu 370 K entspricht.
Tabelle 2 zeigt, dass es dann, wenn eine Störstellenkonzentration von 10¹⁵ cm^–3 verwendet wird, schwierig wird, Bedingungen zu finden, bei denen die Leistungsdichte P_d für einen zuverlässigen Sensorbetrieb selbst bei einer höheren Barrierezusammensetzung annehmbar bleibt. Eine Vergrößerung der Störstellenkonzentration von 10¹⁵ cm^–3 auf ~10¹⁷ cm^–3 verringert dagegen die Trägermobilität um einen Faktor von ~3. Die Nähe der Bereiche des n-Typs zu den Bereichen des p-Typs kann darüber hinaus einen Tunneleffekt der Träger bewirken, der zu j_⊥ beiträgt. Tabelle 2 gibt deswegen an, dass eine optimale Dotierungskonzentration ~1016 cm^–3 beträgt; wobei eine Sensor-Stromweglänge von 5 μm eine annehmbare Leistungsdichte P_d von 124 W/cm² ergibt.
Tabelle 3 zeigt, dass eine Vergrößerung des Verhältnisses I_⊥/I_plane eine Verwendung von größeren Sensoren ermöglicht: Diese sind leichter herzustellen und unterstützen größere Ströme bei einer gleichwertigen Leistungsdichte, wodurch sich größere Hall-Spannungen und eine bessere Empfindlichkeit ergeben.
In 13 ist eine Schaltung 200 für den Sensor 10 gezeigt. Eine Batterie 210 mit positiven und negativen Anschlüssen 212 und 214 ist direkt mit der Schenkelstirnschicht 16c bzw. über einen Reihenwiderstand R_L mit der Schenkelstirnschicht 16a verbunden.
Die Batterie 210 spannt die Stirnschicht 16c in Bezug auf die Stirnschicht 16a positiv vor und liefert einen Strom I_plane durch die Stirnschicht 16c, den Schenkel 14c, den mittigen Bereich 14e, den Schenkel 14a und die Stirnschicht 16c. Wegen ihrer positiven Vorspannung ist die Stirnschicht 16c ein ausschließender Kontakt für den aktiven Bereich 14 des n-Typs, der folglich um eine gleiche Anzahl von Elektronen und Löchern verarmt wird, wie oben beschrieben wurde, wodurch der intrinsische Beitrag zur Leitung weit gehend ausgelöscht wird. Die Ausschlusszone erstreckt sich durch den Schenkel 14c, den mittigen Bereich 14e und den Schenkel 14a. Wenn ein Magnetfeld, das senkrecht zur ebene der Zeichnung angelegt wird, wird zwischen den Bereichen 16b, 16d eine Hall-Spannung entwickelt. Der Strom, der zwischen den Stirnschichten 16c und 16a fließt, erfolgt vorherrschend wegen lediglich eines Trägertyps, d. h. Elektronen, die von Donatorstörstellen aktiviert werden, und der Sensor arbeitet in einer Betriebsart, die den extrinsischen gesättigten Betrieb eines Materials mit breiterem Bandabstand, wie etwa Si, simuliert.
In 14 ist eine Schaltung 300 für den Sensor 50 gezeigt. Die Schaltung 300 weist eine erste Batterie 310 auf, die positive und negative Anschlüsse 312 und 314 besitzt, die direkt mit der Schenkelstirnschicht 16c bzw. über einen Reihenwiderstand R_S mit der Schenkelstirnschicht 16a verbunden sind. Eine zweite Batterie besitzt einen negativen Anschluss 320, der über einen Reihenwiderstand R_B mit einer Sensorsubstratverbindung 330 verbunden ist, und außerdem einen positiven Anschluss 322, der mit dem Bereich 54c und dem negativen Anschluss 314 der ersten Batterie verbunden ist.
Die erste Batterie 310 spannt den Sensor 50 über den Widerstand R_S vor und ein Strom I_plane fließt zwischen den Stirnschichten 54a und 54c über den Schenkel 53a, den mittigen Bereich 54e und den Schenkel 53c. Die zweite Batterie spannt das Substrat 62 (siehe 6) in Bezug auf die Stirnschichten 54a und 54c vor, das den np- Heteroübergang 110 zwischen den Schichten 53 und 66 in Gegenrichtung vorspannt. Die Schicht 66 wirkt als ein Extraktionskontakt für die Schicht 53, in der folglich der intrinsische Beitrag zur Leitung weit gehend ausgelöscht wird. Der Strom I_plane in der Schicht 53 erfolgt deswegen vorherrschend infolge lediglich eines Trägertyps, d. h. Elektronen, die von Donatorstörstellen aktiviert werden, und der Sensor 50 arbeitet in einer Betriebsart, die den extrinsischen gesättigten Betrieb simuliert. Bei einem Magnetfeld senkrecht zur Zeichnungsebene entwickelt der Sensor 50 eine Hall-Spannung V_H über dem mittigen Bereich 53e, die über die Stirnschichten 54b und 54d erfasst werden kann.
Hall-Effekt- und Magnetwiderstandssensoren werden normalerweise in einer stromgesteuerten Betriebsart betrieben, in der der Sensorstrom konstant gehalten und eine Änderung der Spannung erfasst wird, um ein Magnetfeld B zu erhalten, das für den Hall-Effekt-Sensor angegeben wird durch:
wobei die Parameter gleich den oben definierten Parametern sind.
Aus Gleichung (1) gilt:
wobei V_D eine longitudinale Spannung ist, die einen Strom I_x durch den Magnetwiderstandssensor steuert, wobei eine Umstellung ergibt:
In der stromgesteuerten Betriebsart hängt der gemessene Wert von B von der Trägerkonzentration n ab, die Gegenstand des Rauschens von Erzeugung-Rekombination im Halbleiter ist und außerdem die Messung beeinflusst. Sensoren mit Ladungsträgerextraktion werden durch l/f-Rauschen entweder infolge der Schwankung der Trägerkonzentration oder der Mobilitätsschwankung beeinflusst. Vorhandene Beweise (die nicht schlüssig sind) favorisieren Konzentrationsschwankungen: Wenn das der Fall wäre, würde die stromgesteuerte/spannungsmessende Betriebsart Gegenstand des l/f-Rauschens sein.
Eine alternative Betriebsart für einen Magnetfeldsensor der Erfindung ist die Spannungssteuerung, d. h. ein Betrieb bei konstanter Antriebsspannung, das Messen der Spannung, um das Magnetfeld B anzugeben: Bei einem Magnetwiderstandssensor wird das Magnetfeld B weiterhin durch Gleichung (2) angegeben und für einen Hall-Effekt-Sensor ist es gegeben durch:
Dabei ist l_x die Sensorlänge und andere Ausdrücke wurden oben definiert. In der spannungsgesteuerten Betriebsart ist der gemessene Wert von B unabhängig von der Trägerdichte und ist nur wegen der Temperaturabhängigkeit der Mobilität temperaturabhängig: Diese ist eine langsame Änderung und wirkt außerdem Effekten infolge einer restlichen Trägerkonzentrationsänderung entgegen, da die beiden entgegengesetzte Wirkungen erzeugen. Darüber hinaus würde dieser gemessene Wert von B nicht Gegenstand des Erzeugungs- und Rekombinationsrauschens oder 1/f-Rauschens sein, wenn dieses infolge von Dichteschwankungen auftritt.
Die spannungsgesteuerte Betriebsart wird nicht allgemein verwendet, da sie ein thermisches Durchbrennen des Sensors und eine Instabi lität bewirken kann. Ein Sensor der Erfindung ist jedoch gegen thermisches Durchbrennen stabilisiert, da dies auf Grund von intrinsischer Leitung erfolgt, die durch die Erfindung verringert wird. Der Betrieb in dieser Betriebsart erfordert ferner keine Verringerung des intrinsischen Beitrags in dem starken Umfang wie bei anderen Betriebsarten, um eine gleichwertige Leistungsfähigkeit zu erreichen. Es wird außerdem erwartet, dass er eine Betriebsfähigkeit eines Sensors über einen größeren Temperaturbereich als in der stromgesteuerten Betriebsart zur Folge hat.
Eine weitere Alternative besteht darin, einen Hall-Efekt-Sensor der Erfindung in einer stromgesteuerten und spannungsmessenden Betriebsart zu betreiben: In dieser Betriebsart wird der Sensorstrom I_x konstant gehalten und die Hall-Spannung wird verwendet, um einen Strom in einer externen Schaltung zu steuern, die über Hall-Spannungs-Elektroden angeschlossen ist, wobei dieser Strom gemessen wird. Diese Betriebsart sollte im Prinzip die gleichen Vorteile besitzen wie die spannungsgesteuerte und spannungsmessende Betriebsart. Ein Stromflussmuster in einer stromgesteuerten und strommessenden Betriebsart durch einen derartigen Sensor ist komplex und erfordert für eine vollständige Erfassung eine numerische Modellierung. Das Strommessen wird verwendet, wenn die Notwendigkeit besteht, eine Vorrichtung unter Verwendung des Sensor-Ausgangssignals direkt anzusteuern.
In 15 ist ein Magnetwiderstandssensor 400 der Erfindung im Querschnitt gezeigt, er ist jedoch, wie z. B. durch Zickzacklinien 402 angegeben ist, nicht maßstabsgerecht gezeichnet. Teile, die mit Teilen, die in 6 gezeigt sind, gleichwertig sind, besitzen das gleiche Bezugszeichen mit einem Präfix 400. Der Sensor 400 enthält eine Substratschicht 464 aus InSb des p⁺-Typs mit einer Dicke von 1 μm auf einem Substrat 462 aus InSb oder GaAs und besitzt einen elektrischen Vorspannungskontakt 484, der bei Bedarf in größerer Entfernung angeordnet sein kann. Der Schicht 464 ist eine Schicht 466 aus In_1-xAl_xSb des p⁺-Typs mit einer Dicke von 20 nm überlagert, wobei x im Bereich von 0,1 bis 0,5 und vorzugsweise in Bereich von 0,1 bis 02 liegt und z. B. 0,15 beträgt. Die Schicht 466 ist mit einer Schicht 404 mit einer Dicke von 0,5 μm bedeckt, die größtenteils InSb des p-Typs mit einer Dotiermittelkonzentration von 3 × 10¹⁵ cm^–3 enthält, jedoch 30 nm unter ihrer Oberfläche 406 eine extrem dünne Schicht aus Silicium 408 enthält, die durch eine Strichpunktlinie angegeben ist; wobei die Siliciumschicht 408 als eine δ-Dotierungsschicht bezeichnet wird. Im Betrieb liefert die δ-Dotierungsschicht 408 ein zweidimensionales Elektronengas mit Konzentrationen im Bereich von 6 × 10¹¹ cm^–2 bis 2 × 10¹² cm^–2, z. B. 1 × 10¹² cm^–2, Zwei n⁺-Bereiche 411 aus InSb mit einer Dicke von 30 nm sind auf der Schicht 404 abgelagert und schaffen elektrische Verbindungen mit dieser: Sie ermöglichen, dass eine Spannung über dem Sensor 400 gemessen und dadurch der Sensorwiderstand bestimmt werden kann, um eine Angabe des Magnetfelds zu schaffen. Sie sind durch einen Abstand im Bereich von 2 bis 5 μm, z. B. um 3,5 μm voneinander getrennt. In der Draufsicht ist der Sensor derart, wie in 1 gezeigt ist, mit der Ausnahme, dass keine Schenkel 14a und 14c vorhanden sind.
Der Sensor 400 ist eine n⁺-p-p⁺-p⁺-Diodenstruktur, bei der die p-Schicht 404 einer Trägerextraktion unterzogen wird, wenn eine Vorspannung in Gegenrichtung angelegt wird, d. h. wenn eine der Elektroden 411 in Bezug auf das Substrat 462 positiv vorgespannt wird. Das ist der Fall, da die Grenzfläche zwischen den Schichten 411 und 404 ein n⁺p-Übergang ist, der ein Extraktionskontakt ist, wenn er in Gegenrichtung vorgespannt ist. Die Trägerkonzentration wird auf einen Wert weit unter der intrinsischen Konzentration verringert, die während des Fehlens einer Vorspannung vorherrschend ist, und wird wie in dem gesättigten extrinsischen Betrieb weit gehend unabhängig von der Temperatur.
Eine leitende Schicht der Elektronen ist in der p-Schicht 404 durch die δ-Dotierungsschicht 408 vorgesehen: Die Elektronen bilden ein zweidimensionales Gas mit einer Konzentration, die ebenfalls weit gehend mit der Temperatur konstant bleibt, da sie durch eine Dotierungskonzentration und nicht durch thermische Aktivierung eingerichtet wird. Elektronen aus der δ-Dotierungsschicht 408 sind die vorherrschende Quelle der Ladungsträger in der p-Schicht 404, die die aktiven Schicht des Sensors ist. Die n⁺-Schichten 411 wirken als Source- und Drain-Verbindungen mit der p-Schicht 404, die den leitenden weg zwischen ihnen darstellt. Der Widerstand dieses leitenden Wegs ist gemäß Gleichung (1) vom Magnetfeld abhängig und erzeugt den Magnetwiderstands-Effekt, durch den das Magnetfeld gemessen wird.
Die Mobilität der Minoritätsträger (Elektronen) und somit die Diffusionslänge der Elektronen ist in einem Halbleitermaterial des p-Typs viel größer als die Loch-Mobilität in einer Entsprechung des n-Typs: der Trägerextraktions-Effekt erstreckt sich über eine Minoritätsträger-Diffusionslänge und folglich erfahren die beiden Materialien des p-Leitungstyp eine viel wirkungsvollere Extraktion und die Trägerkonzentration besitzt einen höheren Grad der Temperaturabhängig keit. In dem Sensor 400 ändern sich die Trägerkonzentration und der Widerstand R₀ über 50 K um etwa 2 %, was für viele Anwendungen ausreichend konstant ist.
In 16 ist ein Magnetwiderstandssensor 500 im Querschnitt gezeigt, wie jedoch z. B. durch Zickzacklinien 502 angegeben ist, ist er nicht maßstabsgerecht gezeichnet. Der Sensor 500 umfasst eine Schicht 504 mit einer Dicke von 1 μm aus In_0,85Al_0,15Sb des p⁺-Typs mit einer Dotierungskonzentration von 2 × 10¹⁸ cm^–3. Die Schicht 504 befindet sich auf einem Substrat 506 aus InSb oder GaAs und besitzt einen Kontakt 508 zur elektrischen Vorspannung, der in einer größeren Entfernung angeordnet sein kann. Die Schicht 504 trägt eine Schicht 510 mit einer Dicke von 0,5 μm aus In_0,85Al_0,15Sb des p-Typs, das gewöhnlich mit weniger als 1 × 10¹⁶ cm^–3 nicht dotiert ist. Die Schicht 510 ist mit einem Quantentopf 512 mit einer Dicke von 15 nm aus InSb des p-Typs mit einer Dotierungskonzentration von 3 × 10¹⁵ cm^–3 bedeckt. Der Quantentopf 512 ist mit einer Schicht 514 mit einer Dicke von 150 nm (der annehmbare Dickenbereich geht von 100 bis 200 nm) bedeckt, die hauptsächlich In_0,85Al_0,15Sb des p^–-Typs enthält, das gewöhnlich mit weniger als 1 × 10¹⁶ cm^–3 nicht dotiert ist. Die Schicht 514 des p^–-Typs enthält eine Silicium-δ-Dotierungsschicht 518 des n-Typs über dem Quantentopf 512 und ist von diesem um eine Strecke im Bereich von 10 bis 40 nm beabstandet. Im Betrieb erzeugt die δ-Dotierungsschicht 518 ein zweidimensionales Elektronengas mit einer Konzentration im Bereich von 6 × 10¹¹ cm^–2 bis 2 × 10¹² cm^–2, z. B. 1 × 10¹² cm^–2, das sich in dem Quantentopf 512 bildet, da dies energetisch vorteilhaft ist: Dies wird als Modifikationsdotierung bezeichnet und die Elektronengaskonzentration bleibt außerdem mit der Temperatur konstant.
Zwei n⁺-Bereiche 520 aus InSb mit einer Dicke von 30 nm sind auf der Schicht 514 abgelagert und schaffen elektrische Verbindungen mit dieser: Sie ermöglichen, dass eine Spannung über dem Sensor 500 gemessen und dadurch der Sensorwiderstand gemessen werden kann, um eine Angabe des Magnetfelds zu schaffen. Sie sind um eine Strecke im Bereich von 2 bis 5 μm, z. B. um 3,5 μm voneinander beabstandet. In der Draufsicht ist der Sensor 500 derart, wie in 1 gezeigt ist, mit der Ausnahme, dass die Schenkel 14a und 14c fehlen.
Der Sensor 500 ist eine n⁺-p^–-Quantentopf-p^–-p⁺-Diodenstruktur, bei der der Quantentopf 512 einer Trägerextraktion unterzogen wird, wenn eine Vorspannung in Gegenrichtung angelegt wird, d. h. wenn eine der beiden Elektroden 520 in Bezug auf das Substrat 506 positiv vorgespannt ist. Das ist der Fall, da die Grenzfläche zwischen den Schichten 514 und 520 ein n⁺p-Übergang ist, der ein Extraktionsübergang ist, wenn er in Gegenrichtung vorgespannt ist. Die Trägerkonzentration in dem Quantentopf 512 ist auf einen Wert weit unter der intrinsischen Entsprechung für das Fehlen einer Vorspannung verringert und wird daher wiederum weit gehend unabhängig von der Temperatur wie in einem gesättigten extrinsischen Betrieb. Elektronen aus der δ-Dotierungsschicht 408 sind dann die dominierende Quelle von Ladungsträgern in dem Quantentopf 512, der der aktive Bereich des Sensors ist. Weitere Bereiche 504, 510 und 514 des Sensors 500 weisen einen viel breiteren Bandabstand als der Quantentopf 512 auf und ihre Trägerkonzentrationen können als konstant betrachtet werden.
Die n⁺-Schichten 520 wirken als Source- und Drain-Elektroden, zwischen denen ein leitender Weg über die p^–-Schicht und den Quantentopf 512 vorhanden ist. Der Widerstand dieses leitenden Wegs ist vom Magnetfeld abhängig und ermöglicht eine Messung des Magnetfelds.
In dem Sensor 500 ändert sich die Trägerkonzentration über 50 K um weniger als 1 %: Dies ist ein sehr hoher Grad der Konstanz und für anspruchsvolle Anwendungen geeignet. Er besitzt in dieser Hinsicht eine bessere Leistungsfähigkeit als frühere Ausführungsformen, da die Trägerkonzentration des Quantentopfes durch Modifikationsdotierung festgelegt ist, was im Unterschied zur thermischen Aktivierung von Elektron-Loch-Paaren einen feststehenden Parameter darstellt.
Die in den 6, 15 und 16 gezeigten Schichtstrukturen können jeweils verwendet werden, um Hall-Effekt- und Magnetwiderstandssensoren herzustellen. Der Unterschied zwischen den beiden Sensortypen besteht einfach darin, dass der zuerst genannte Typ eine Konfiguration wie in 1 besitzt und der zuletzt genannte Typ eine Konfiguration mit zwei Anschlüssen entsprechend dem Fehlen (oder der Nichtbenutzung) von Schenkeln 14b und 14d besitzt.

Claims

Magnetfeldsensor, der ein Halbleitersensorelement (10, 50) mit einem aktiven Bereich (14e, 53e), in dem während des Betriebs ein von einem Magnetfeld abhängiges Signal und ein Vorspannungsstrom für den aktiven Bereich entwickelt werden, umfasst, wobei der Sensor einen Übergang (36, 110) in der Nähe des aktiven Bereichs (14e, 53e) und Mittel zum Erfassen des von dem Magnetfeld abhängigen Signals umfasst und wobei der aktive Bereich (14e, 53e) wenigstens teilweise intrinsisch ist, wenn er nicht vorgespannt ist und eine normale Betriebstemperatur hat, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor Mittel (39A–C; 53, 66, 84; 404, 411, 484; 508, 514, 520) umfasst, um den Übergang (36, 110) vorzuspannen, damit er ausschließend oder extrahierend wirkt, um einen intrinsischen Beitrag zu der Leitung im aktiven Bereich (14e, 53e) zu verringern und um Ladungsträger vorherrschend auf lediglich einen Typ, der einem extrinsischen, gesättigten Betrieb entspricht, zu beschränken.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang ein ausschließender Kontakt (36) für den Ausschluss von Minoritätsträgern aus dem aktiven Bereich (14e) ist.
Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ausschließende Kontakt (36) ein Homoübergang zwischen Indium-Antimonid-Materialien unterschiedlicher Dotierungskonzentration ist.
Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ausschließende Kontakt (36) ein Heteroübergang zwischen Indium-Antimonid (12) und einem Material (40, 41) mit einem breiteren Bandabstand als Indium-Antimonid ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ein kreuzförmiger Hall-Effekt-Sensor mit einem mittigen aktiven Bereich (14e), von dem sich vier Schenkel (14a bis 14d) erstrecken, ist, wobei wenigstens ein Schenkel (z. B. 14a) mit einem ausschließenden Kontakt (z. B. 16a) verbunden ist, um die Minoritätsträger-Konzentration des aktiven Bereichs unter Vorspannung zu verarmen, wobei ein erstes Schenkelpaar (14a, 14c) mit einer Stromversorgung verbunden werden kann und ein zweites Schenkelpaar (14b, 14d) mit einer Hall-Spannungs-Messvorrichtung verbunden werden kann.
Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schenkel des zweiten Schenkelpaars (53b, 53d) einen konisch zulaufenden Abschnitt in der Nähe des mittigen aktiven Bereichs (53e) hat.
Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schenkel (z. B. 14a) mit einem entsprechenden ausschließenden Kontakt (z. B. 16a) verbunden ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang ein extrahierender Übergang (110) ist, um Minoritätsträger aus dem aktiven Bereich (53e) zu extrahieren.
Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Extraktionsübergang (110) ein Übergang zwischen zwei Sensorbereichen aus Materialien mit unterschiedlichem Majoritätsträgertyp und unterschiedlichem Bandabstand ist.
Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Extraktionsübergang (110) a) ausreichend dick ist, um einen Elektronen-Tunneleffekt durch ihn hindurch zu verhindern; und b) ausreichend dünn ist, um eine Entspannungsbeanspruchung in Materialien, die ihm zugeordnet sind, zu vermeiden.
Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Extraktionsübergang (110) ein Heteroübergang von Indium-Antimonid (53) des n-Typs und von In_1-xAl_xSb (54) ist, wobei x im Bereich von 0,10 bis 0, 5 liegt.
Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass x im Bereich von 0,15 bis 0,2 liegt.
Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass x im Wesentlichen 0,15 ist.
Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass er kreuzförmig ist und einen mittigen aktiven Bereich (53e) aufweist, von dem sich vier Schenkel (53a bis 53d) erstrecken, wobei die Schenkel vier aufeinander folgend angeordnete Schichten (64, 66, 53, 54) besitzen, wovon zwei benachbarte Schichten von einem Majoritätsträgertyp sind und zwei andere benachbarte Schichten von dem anderen Majoritätsträgertyp sind, wobei der Extraktionsübergang (110) ein Heteroübergang zwischen einer Schicht (53) des aktiven Bereichs und einer weiteren Schicht (66) mit anderem Bandabstand und anderem Majoritätsträgertyp ist, wobei ein erstes Schenkelpaar (14a, 14b) mit einer Stromversorgung verbunden werden kann, ein zweites Schenkelpaar (14b, 14d) mit einer Hall-Spannungs-Messvorrichtung verbunden werden kann und der Extraktionsübergang (110) mittels einer Sensorsubstratverbindung (484, 508) in Gegenrichtung vorgespannt werden kann.
Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die vier aufeinander folgend angeordneten Schichten (64, 66, 53, 54) eine n⁺npp⁺-Struktur sind, wobei ein hochgestelltes "+" eine verhältnismäßig hohe Dotierung im Vergleich zum Fehlen dieses Pluszeichens angibt und eine Unterstreichung bzw. Nichtunterstreichung einen verhältnismäßig größeren bzw. verhältnismäßig kleineren Bandabstand angibt.
Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schenkel (53b, 53d) des zweiten Schenkelpaars in der Nähe des mittigen Bereichs (53e) einen konisch zulaufenden Abschnitt hat.
Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schenkel (53b, 53d) des zweiten Paars Schenkel einen Kontaktbereich hat, der an den mittigen Bereich (53e) angrenzt, wobei die Schenkelbreite weniger als 10 % der Schenkelbreite jedes Schenkels des ersten Schenkelpaars (53a, 53c) beträgt.
Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass er für einen Extraktionsstromfluss in einer Richtung, die zu der Ladungsträgerablenkung durch ein Magnetfeld im Normalbetrieb im Wesentlichen senkrecht ist, ausgelegt ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang (404/411) extrahierend ist und der aktive Bereich (404) vom p-Typ ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Bereich eine Quantentopfstruktur (510/512/514) ist.
Sensor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass er eine n⁺-p^–Quantentopf-p^–-p⁺-Diodenstruktur (500) ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er eine δ-Dotierungsschicht (408) aufweist, die als eine vorherrschende Quelle von Ladungsträgern für den aktiven Bereich (404) ausgelegt ist.
Sensor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass er eine n⁺-p-p⁺-p⁺-Diodenstruktur (400) ist.
Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes unter Verwendung eines Magnetfeldsensors, der ein Halbleitersensorelement (10, 50) mit einem aktiven Bereich (14e, 53e), in dem während des Betriebs ein von einem Magnetfeld abhängiges Ausgangssignal und ein Vorspannungsstrom entwickelt werden, umfasst, wobei der Sensor einen Übergang (36, 110) in der Nähe des aktiven Bereichs (14e, 53e) und Mittel zum Erfassen des Ausgangssignals umfasst, wobei der aktive Bereich (14e, 53e) wenigstens teilweise intrinsisch ist, wenn er nicht vorgespannt ist und eine normale Betriebstemperatur hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren das Vorspannen des Übergangs (36, 110) umfasst, um ihn ausschließend oder extrahierend zu machen, um einen intrinsischen Beitrag zur Leitung im aktiven Bereich (14e, 53e) zu verringern und um Ladungsträger vorherrschend auf lediglich einen Typ, der einem extrinsischen, gesättigten Betrieb entspricht, zu beschränken.
Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass es das Vorspannen des aktiven Sensorbereichs (14e, 53e) auf eine konstante Spannung umfasst und dass das Ausgangssignal ein Spannungssignal ist.
Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Hall-Effekt-Sensor (50) ist und dass das Verfahren das Anlegen eines konstanten Vorspannungsstroms an den aktiven Sensorbereich (14e, 53e) umfasst und dass das Ausgangssignal ein Stromsignal ist.