PL205355B1 - Cienkowarstwowy, heterozłączowy czujnik pola magnetycznego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest cienkowarstwowy, heterozłączowy czujnik pola magnetycznego oparty na wykorzystaniu zjawiska Halla i Gaussa. Czujnik ten, w temperaturze pokojowej, może być stosowany jako czujnik pomiarowy, natomiast w temperaturze niższej od temperatury pokojowej jako czujnik sygnałowy. Czujniki pola magnetycznego są wykonywane z bardzo różnych materiałów tj. z metali, dielektryków a takż e z półprzewodników.

Typowym kształtem płytki hallotronowej jest kształt krzyżowy, gdzie długość ramion krzyża jest oznaczana zazwyczaj / natomiast szerokość ramion w. W czujniku takim napięcie Halla wywołane prostopadłym do powierzchni płytki hallotronowej polem magnetycznym o indukcji B jest mierzone na elektrodach usytuowanych na bocznych ramionach krzyża.

Podstawowymi parametrami czujnika Halla są następujące wielkości. Oporność wejściowa Rx mierzona na elektrodach prądowych i oporność wyjściowa Ry mierzona na elektrodach hallowskich, czułość polowa γ₀ zdefiniowana jako wielkość napięcia Halla przypadająca na jednostkowe pole magnetyczne oraz czułość prądowa γ, przy nominalnym prądzie sterowania czujnika.

Rozwój technologii sprawił, że do wytwarzania struktur hallotronowych (rozumianych jako ukształtowaną na podłożu warstwę półprzewodnikową wraz z elektrodami) wykorzystywano cienkie warstwy osadzane epitaksjalnie. Taka technologia pozwala na wykorzystanie technologii sprawdzonych w technice krzemowej a zwłaszcza umożliwia modyfikacje osadzanych warstw epitaksjalnych.

Znane są czujniki Halla wytwarzane z silnie domieszkowanych epitaksjalnych warstw n-InSb na standartowych podłożach z i-GaAs. W czujnikach tych cienkie epitaksjalne warstwy InSb/i-nGaAs są domieszkowane donorowo do poziomu (1-:-2) x 10²⁴ m^-3.Wykorzystuje się tu fakt, że ruchliwość elektronów w tej warstwie jest bardzo duża.

Opisane czujniki spełniają wprawdzie podstawowe wymagania, lecz technologia wytwarzania ze względu na konieczność domieszkowania warstw epitaksjalnych jest poważnym utrudnieniem.

Znane są także z polskiego opisu patentowego 196096 hallotrony czy gaussotrony wytworzone ze struktur wielowarstwowych, z tak zwanych super sieci metali. Konstrukcja takich czujników opiera się na odpowiednim doborze materiałów, z których wykonane są poszczególne warstwy. Istotnym jest, aby jedna z warstw wykonana była z materiału (metalu) paramagnetycznego, a druga warstwa z materiału diamagnetycznego. Jeżeli dobierze się właściwie te warstwy to można otrzymać strukturę bardzo czułą na zmiany pola magnetycznego. Struktury w takich czujnikach są uzyskiwane przez naparowywanie próżniowe lub osadzanie elektrochemiczne na monokrystaliczne półprzewodnikowe podłoże takie jak np. krzem metali takich jak miedź, nikiel, czy kadm.

Celem wynalazku jest opracowanie czujnika pola magnetycznego wykorzystującego cienkie warstwy InGaAs o prostej konstrukcji i technologii, który mógłby pracować w szerokim zakresie temperatur a także charakteryzowałby się dużą czułością polową i prądową.

Cienkowarstwowy, heterozłączowy czujnik pola magnetycznego według wynalazku posiada podłoże, na którym znajduje się warstwa aktywna z kontaktami omowymi. W czujniku tym podłoże stanowi monokrystaliczny fosforek indu (InP) o orientacji krystalograficznej <001>, a warstwę aktywną niedomieszkowana warstwa arsenku galowego - indowo (In0,53Ga0,47As) o koncentracji nośników 1 x 10²⁰ + 1 x 10²¹ m^-3. Warstwa aktywna ma kształt krzyża równoramiennego, w którym stosunek długości ramienia l do jego szerokości w wynosi 0,5.

Dzięki optymalizacji procesu epitaksji warstwy In0,53Ga0,47As pod kątem perfekcji krystalograficznej uzyskano dużą ruchliwość nośników w tej warstwie a co się z tym wiąże znaczne, względne przyrosty magnetorezystancji. Dlatego też czujnik według wynalazku może pracować jako gaussotron charakteryzujący się dużą czułością prądową SI i napięciową Sv, ponieważ parametry te są zależne od iloczynu ruchliwości hallowskiej i indukcji magnetycznej.

Wynalazek jest bliżej objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku, który przedstawia widok czujnika.

Na podłożu z InP:Fe o grubości 400 μπ osadzono niedomieszkowaną warstwę aktywną InGaAs o grubości Itl =7 μπ. Do tego celu szczególnie nadają się cienkie warstwy In₀,₅₃Ga₀,₄₇As dopasowane sieciowo do podłoża z InP wytwarzane metodą epitaksji z wiązek molekularnych (MBE). Następnie warstwę tę poddano trawieniu, w wyniku, którego uzyskano na podłożu InP warstwę In0,53Ga0,47As o kształcie krzyża równoramiennego, którego długość ramienia /l/ = 1 mm, a szerokość ramienia /w/ = 2 mm. Następnie na końcach ramion krzyża, na warstwie aktywnej osadzono za pomocą osadzania próżniowego ze stopu AuGeNi kontakty omowe. Tak wykonany czujnik może być wykorzystywany jako czujPL 205 355 B1 nik pomiarowy lub jako czujnik sygnałowy. W temperaturze pokojowej (293K), w funkcji indukcji magnetycznej może pracować jako czujnik pomiarowy, natomiast w temperaturach niższych od temperatury pokojowej (129 - 40K), może pracować jako czujnik sygnałowy. W przypadku pracy czujnika jako czujnika pomiarowego (hallotronu) czułość polowa wynosi γ₀ ~ 0.08 V/T, a czułość prądowa γ ~ 4000Ω/Τ W przypadku pracy czujnika jako czujnika sygnałowego (gaussotronu), w temperaturze pokojowej, czułość napięciowa S_y wynosi ~0,1 l/T a czułość prądowa S_I wynosi ~760ΩΗ przy prądzie 1= 17 μA i indukcji magnetycznej B = 0,6 T.

Claims (1)

1. Cienkowarstwowy, heterozłączowy czujnik pola magnetycznego posiadający podłoże, na którym znajduje się warstwa aktywna z kontaktami omowymi, znamienny tym, że podłoże stanowi monokrystaliczny fosforek indu (InP) o orientacji krystalograficznej <001>, a warstwę aktywną niedo20 21 -3 mieszkowana warstwa In0,53Ga0,47As o koncentracji nośników 1 x 10²⁰ 1 x 10²¹ m^-3, przy czym warstwa ta ma kształt krzyża równoramiennego, w którym stosunek długości ramienia /l/ do jego szerokości /w/ wynosi 0,5.