PL229336B1

PL229336B1 - Magnetic field sensor

Info

Publication number: PL229336B1
Application number: PL416781A
Authority: PL
Inventors: Semir El-Ahmar; Wojciech Koczorowski; Piotr Kuświk
Original assignee: Inst Fizyki Molekularnej Polskiej Akademii Nauk; Politechnika Poznanska; Univ Im Adama Mickiewicza W Poznaniu
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2016-04-07
Publication date: 2018-07-31
Also published as: PL416781A1

Abstract

Czujnik pola magnetycznego dwu-końcówkowy z grafenową warstwą czynną oraz warstwą metaliczną (3), charakteryzujący się tym, że warstwę czułą półprzewodnika (1) stanowi pojedyncza albo podwójna warstwa grafenu, umieszczona na podłożu izolującym, która to warstwa czuła (1) połączona jest z warstwą metaliczną (3), przy czym warstwa czuła półprzewodnika uformowana jest w strukturę paskową (2).A two-terminal magnetic field sensor with an active graphene layer and a metallic layer (3), characterized in that the semiconductor's sensitive layer (1) is a single or double graphene layer placed on an insulating substrate, the sensitive layer (1) being connected to a metallic layer (3), the semiconductor's sensitive layer being formed into a strip structure (2).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest czujnik pola magnetycznego o dużej czułości, wykorzystujący w działaniu zjawisko magnetooporu zawierający warstwę czułą grafenu. Czujnik znajduje zastosowanie do wykrywania pola magnetycznego w elektronicznych systemach powiązanych z polem magnetycznym, takich jak systemy kontroli.The subject of the invention is a highly sensitive magnetic field sensor that uses the magnetoresistance phenomenon containing a sensitive layer of graphene. The sensor is used to detect magnetic fields in electronic systems related to a magnetic field, such as control systems.

Wykorzystywane przez czujnik zjawisko magnetooporu polega na zmianie oporu elektrycznego materiału pod wpływem działania zewnętrznego pola magnetycznego.The magnetoresistance phenomenon used by the sensor consists in changing the electrical resistance of the material under the influence of an external magnetic field.

Z amerykańskich opisów patentowych US3592708 oraz US3852103 znane są konstrukcje i sposób wytworzenia magnetorezystora o geometrii rastrowej wykonanego z ciągłej cienkiej warstwy InSb (lub InAs lub związku lnSb_xAsi x), wyhodowanej na podłożu nieprzewodzącym, uformowanej w kształt meandra, z naniesioną na jej powierzchnię warstwą metalu (w postaci cienkiej warstwy In lub Cu), wytrawioną następnie selektywnie w kształt pasków.The American patents US3592708 and US3852103 describe the construction and method of producing a magnetoresistor with a raster geometry made of a continuous thin InSb layer (or InAs or lnSb _x Asi x compound), grown on a non-conductive substrate, formed in the shape of a meander, with a layer deposited on its surface. metal (in the form of a thin layer of In or Cu), then selectively etched in the shape of stripes.

Z innego amerykańskiego opisu US3898359 znana jest konstrukcja i sposób wytworzenia magnetorezystora o geometrii rastrowej wykonanego z ciągłej cienkiej warstwy InSb (lub InAs) wyhodowanej na podłożu nie przewodzącym, uformowanej w kształt meandra, z naniesioną na jej powierzchnię warstwą metalu (w postaci In lub Ag, Au, Cu), wytrawioną następnie selektywnie w kształt pasków, dodatkowo pomiędzy podłożem a warstwą półprzewodnika zastosowano cienką warstwę chromu dla dodatkowego zwierania napięcia Halla.Another American description, US3898359, describes the construction and method of producing a magnetoresistor with a raster geometry made of a continuous thin InSb (or InAs) layer grown on a non-conductive substrate, formed in the shape of a meander, with a metal layer (in the form of In or Ag, Au, Cu), then selectively etched in the shape of stripes, additionally a thin layer of chromium was applied between the substrate and the semiconductor layer for additional shortening of the Hall voltage.

Znane rozwiązania przedstawiają użycie struktury rastrowej do stworzenia magnetoopornika o dużej czułości. Zakładają użycie jako czynnej (czułej) warstwy półprzewodników z grupy III—V o grubości co najmniej 1 mikrometra.Known solutions present the use of a raster structure to create a highly sensitive magnetoresistive. They assume the use of an active (sensitive) layer of group III-V semiconductors with a thickness of at least 1 micrometer.

Przedmiot wynalazku oparty jest na zastosowaniu półprzewodnikowej warstwy czułej opartej na grafenie co jest bardzo perspektywicznym i obiecującym rozwiązaniem z punktu widzenia urządzeń do detekcji pola magnetycznego o rozmiarach nanometrowych. Przy czym zakłada też unikalną i odmienną konstrukcję struktury paskowej, w której główna warstwa czuła, czyli grafen formowany jest na podłożu w strukturę paskową (przerywana jest ciągłość warstwy czułej), gdzie przerwy między poszczególnymi paskami warstwy grafenowej wypełniane są strukturą metaliczną, również uformowaną w formę pasków. Połączenie między grafenem a warstwą metaliczną realizowane jest w taki sposób by kontakt elektryczny między grafenem a warstwą metaliczną występował zarówno w płaszczyźnie grafenu jak i w płaszczyźnie do niej prostopadłej. Jest to rozwiązanie optymalne z punktu widzenia lepszej oporności kontaktowej między grafenem a warstwą metaliczną w płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni grafenu [K. Ito, T. Ogata, T. Sakai, and Y. Awano, “Ultralow contact resistivity in annealed titanium edge contacts for multilayered graphene”, Applied Physics Express vol. 025101, pp. 2-5, 2015].The subject of the invention is based on the use of a sensitive semiconductor layer based on graphene, which is a very perspective and promising solution from the point of view of devices for detecting magnetic field with nanometer dimensions. It also assumes a unique and different structure of the strip structure, in which the main sensitive layer, i.e. graphene, is formed on the substrate into a strip structure (the continuity of the sensitive layer is interrupted), where the gaps between the individual stripes of the graphene layer are filled with a metallic structure, also formed in a form strips. The connection between the graphene and the metal layer is made in such a way that the electrical contact between the graphene and the metal layer occurs both in the graphene plane and in the plane perpendicular to it. This is the optimal solution from the point of view of better contact resistance between the graphene and the metallic layer in the plane perpendicular to the graphene surface [K. Ito, T. Ogata, T. Sakai, and Y. Awano, "Ultralow contact resistivity in annealed titanium edge contacts for multilayered graphene", Applied Physics Express vol. 025101, pp. 2-5, 2015].

Z jeszcze innych amerykańskich opisów patentowych US8189302, US2011/0037464 znane są czujniki pola magnetycznego wykorzystujące grafen jako warstwę czułą. Takie czujniki grafenowe zbudowane są w innych geometriach (struktura EMR, krzyż hallowski) niż struktura paskowa czujnika będącego przedmiotem wynalazku.From still other US patents US8189302, US2011 / 0037464 magnetic field sensors using graphene as the sensitive layer are known. Such graphene sensors are built in different geometries (EMR structure, Hall cross) than the strip structure of the sensor being the subject of the invention.

Przedmiotem wynalazku jest czujnik pola magnetycznego dwukońcówkowy z grafenową warstwą czynną półprzewodnika (czułą) oraz warstwą metaliczną. Końcówki czujnika - dwa kontakty elektryczne - służą zarówno do podłączenia prądu zasilania urządzenia jak i do pomiaru sygnału - rejestrowania zmiany oporu czujnika podyktowanej działaniem przyłożonego zewnętrznego pola magnetycznego, prostopadłego do powierzchni urządzenia.The subject of the invention is a two-terminal magnetic field sensor with a graphene active semiconductor layer (sensitive) and a metallic layer. The sensor tips - two electrical contacts - are used both to connect the device supply current and to measure the signal - recording the change in the sensor resistance dictated by the action of the applied external magnetic field, perpendicular to the device surface.

Warstwę czułą półprzewodnika stanowi pojedyncza albo podwójna warstwa grafenu umieszczona na podłożu izolującym. Warstwa czuła półprzewodnikowa połączona jest z warstwą metaliczną. Istotnym jest jednak, że warstwa czuła półprzewodnika uformowana jest w strukturę paskową.The semiconductor sensitive layer is a single or double graphene layer placed on an insulating substrate. The semiconductor sensitive layer is connected to the metallic layer. It is important, however, that the semiconductor's sensitive layer is formed into a strip structure.

Korzystnym jest kiedy warstwę metaliczną stanowi podwójna warstwa Cr-Au, Cr-Ag, Cr-Cu, Cr-AI, Pd-Au, Pd-Ag, Pd-Cu albo Pd-AI. Aby czujnik magnetooporowy mógł osiągać duże czułości, napięcie Halla generowane w warstwie czułej (grafenie) musi być fizycznie zwierane poprzez zastosowanie metalicznych wtrąceń, korzystnie metalicznych pasków składających się z 10 nanometrowej warstwy Pd oraz osadzonej na niej warstwy Au o grubości do 200 nm. Wyjątkowo optymalnie warstwa metaliczna występuje w postaci 70 nanometrowej warstwy Au osadzonej na 10 nanometrowej warstwy Pd. Grubość podwójnej warstwy metalicznej odpowiednio może być stosowana dla każdego z pozostałych układów tj. Cr-Au, Cr-Ag, Cr-Cu, Cr-AI, Pd-Ag, Pd-Cu albo Pd-AI.It is preferred that the metal layer is a Cr-Au, Cr-Ag, Cr-Cu, Cr-Al, Pd-Au, Pd-Ag, Pd-Cu or Pd-Al double layer. For the magneto-resistive sensor to be able to achieve high sensitivities, the Hall voltage generated in the sensitive layer (graphene) must be physically short-circuited by the use of metallic inclusions, preferably metallic stripes consisting of a 10 nanometer Pd layer and an Au layer up to 200 nm thick deposited thereon. The metal layer is extremely optimally present in the form of a 70 nanometer Au layer deposited on a 10 nanometer Pd layer. The thickness of the metallic double layer may suitably be used for any of the other systems, ie Cr-Au, Cr-Ag, Cr-Cu, Cr-Al, Pd-Ag, Pd-Cu or Pd-Al.

Strukturę paskową otrzymuje się w trakcie procesu wytwórczego nadając warstwie grafenu kształt meandryczny, przerywając jednocześnie jej ciągłość poprzez formowanie w charakterystycznąThe stripe structure is obtained during the manufacturing process by giving the graphene layer a meandering shape, at the same time breaking its continuity by shaping it into a characteristic

PL 229 336 Β1 strukturę paskową. Kształtowanie pasków grafenu na podłożu wykonuje się z pomocą procesu bezmaskowej litografii optycznej połączonej z trawieniem jonowym. Po czym pojedyncze paski grafenu zwierane są ze sobą w taki sposób, by przerwy między poszczególnymi paskami warstwy grafenowej wypełnić strukturą metaliczną, również uformowaną w formę pasków. Połączenie między grafenem a warstwą metaliczną realizowane jest korzystnie w taki sposób by kontakt elektryczny między grafenem a warstwą metaliczną występował zarówno w płaszczyźnie grafenu jak i w płaszczyźnie do niej prostopadłej. Proces nanoszenia warstwy metalicznej o strukturze paskowej wykonuje się przy pomocy bezmaskowej litografii optycznej połączonej z naparowaniem warstwy metalicznej metodą rozpylania magnetronowego, przykładowo najpierw 10 nanometrów Pd, następnie 70 nanometrów Au.PL 229 336 Β1 strip structure. The shaping of the graphene strips on the substrate is performed using a maskless optical lithography process combined with ion etching. Then the individual graphene strips are shortened together in such a way that the gaps between the individual graphene strips are filled with a metallic structure, also formed in the form of strips. The connection between the graphene and the metal layer is preferably realized in such a way that the electrical contact between the graphene and the metal layer occurs both in the graphene plane and in a plane perpendicular to it. The process of applying the metal layer with a strip structure is carried out by means of maskless optical lithography combined with vaporization of the metal layer by magnetron sputtering, for example first 10 nanometers Pd, then 70 nanometers Au.

Czujnik pola magnetycznego według wynalazku charakteryzuje się dużą czułością na wartość indukcji pola magnetycznego. Im większe występuje zagęszczenie pasków metalu zwierających grafen, tym bardziej wzrasta czułość czujnika.The magnetic field sensor according to the invention is highly sensitive to the value of the magnetic field induction. The greater the density of the metal strips containing graphene, the more the sensitivity of the sensor increases.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie widok z góry na urządzenie, natomiast fig. 2 widok z boku na urządzenie, fig. 3 to rzeczywisty widok z mikroskopu optycznego na urządzenie.The subject of the invention in an exemplary embodiment is shown in the drawing, in which fig. 1 shows schematically a top view of the device, while fig. 2 a side view of the device, fig.

Na podłożu izolującym 1 z SIC umieszczona jest warstwa czuła półprzewodnika w postaci pojedynczej warstwy grafenu uformowana w strukturę paskową układającą się meandrycznie 2. Warstwa metaliczna 3, w postaci 70 nanometrowej warstwy Au osadzonej na 10 nanometrowej warstwie Pd, uformowana w strukturę paskową, jest osadzona w taki sposób na podłożu i warstwie grafenu aby kontakt elektryczny między metalem 3 a grafenem 2 występował zarówno w płaszczyźnie grafenu, jak i w płaszczyźnie do niej prostopadłej (co widoczne jest na fig. 2). Elektrody - kontakty elektryczne 4, 5 do podłączenia wyprowadzeń czujnika umieszczone zostały na końcach uformowanej warstwy grafenu i stanowią część integralną warstwy metalicznej, wykonywaną w tym samym procesie technologicznym co paskowa warstwa metaliczna 3. Wyprowadzenia drutowe 6 przyłączone są do kontaktów elektrycznych 4, 5. W innym wariancie realizacji warstwa czuła składa z podwójnej warstwy grafenu umieszczonej na podłożu izolującym, a warstwę metaliczną stanowi podwójna warstwa Cr-Au. W wariantach realizacji wynalazku warstwa metaliczna może składać się z także z podwójnych warstw np. Cr-Cu, Cr-Ag, Cr-AI, Pd-Ag, Pd-Cu czy Pd-AI, w przykładowej grubości maksymalnej 10 nm-200 nm, optymalnie 10 nm-70 nm.On the insulating substrate 1 of SIC there is a semiconductor layer in the form of a single graphene layer formed into a meandering strip structure 2. The metal layer 3, in the form of a 70 nanometer Au layer deposited on a 10 nanometer Pd layer, formed into a strip structure, is embedded in such a way on the substrate and the graphene layer that the electrical contact between the metal 3 and the graphene 2 occurs both in the graphene plane and in a plane perpendicular to it (as shown in Fig. 2). Electrodes - electric contacts 4, 5 for connecting the sensor leads are placed at the ends of the formed graphene layer and are an integral part of the metallic layer, made in the same technological process as the strip-shaped metallic layer 3. Wire leads 6 are connected to electric contacts 4, 5. In another embodiment, the sensitive layer consists of a double layer of graphene on an insulating substrate, and the metal layer is a double layer of Cr-Au. In embodiments of the invention, the metallic layer may also consist of double layers, e.g. Cr-Cu, Cr-Ag, Cr-AI, Pd-Ag, Pd-Cu or Pd-AI, with an exemplary maximum thickness of 10 nm-200 nm, optimally 10 nm-70 nm.

Czujnik według wynalazku prócz zastosowania w ramach elektronicznych systemów kontroli może służyć także do bezstykowych pomiarów przesunięć, prędkości obrotowej, kąta czy też prądu a także jako głowica odczytowa przy zapisie danych w pamięciach dyskowych.The sensor according to the invention, apart from being used in electronic control systems, can also be used for non-contact measurements of displacements, rotational speed, angle or current, and also as a reading head when writing data to disk memories.

Claims

Patent claims

1. A two-terminal magnetic field sensor with a graphene sensitive layer and a metallic layer, characterized in that the semiconductor's sensitive layer (1) is a single or double graphene layer placed on an insulating substrate, the sensitive layer (1) connected with the metallic layer (3) , the semiconductor sensitive layer is formed into a strip structure (2).

2. The sensor according to claim The method of claim 1, characterized in that the metal layer is a Cr-Au, Cr-Ag, Cr-Cu, Cr-Al, Pd-Au, Pd-Ag, Pd-Cu or Pd-Al double layer.

3. The sensor according to claim 2. A method according to claim 2, characterized in that the double metal layer is in the form of an Au layer with a thickness of up to 200 nm, preferably 70 nm, deposited on a 10 nm Pd layer and of an appropriate thickness for each of the other Cr-Au, Cr-Ag, Cr-Cu systems, Cr-Al, Pd-Ag, Pd-Cu or Pd-Al.

4. The sensor according to claim The method as claimed in claim 1, 2 or 3, characterized in that the metal layer formed into the strip structure (2) comprises the sensitive layer both in its plane and in a plane perpendicular to it.