RU195271U1

RU195271U1 - ARSENID-GALLIUM MAGNETOELECTRIC DIODE

Info

Publication number: RU195271U1
Application number: RU2019138134U
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Иванов; Мирза Имамович Бичурин; Геннадий Алексеевич Семенов
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2020-01-21

Abstract

Полезная модель относится к области радиоэлектроники и может быть использована при разработке таких устройств, как высокочувствительные датчики магнитного поля, электрического тока, электромагнитного поля, преобразователи, источники возобновляемой энергии и другие устройства. Магнитоэлектрический (МЭ) диод представляет собой горизонтальный p-i-n-диод, выполненный из пьезополупроводникового материала, в качестве высокоомной области которого используется композиционная магнитострикционно-пьезополупроводниковая структура, образованная высокоомной областью подложки GaAs и магнитострикционным слоем. Предложенный магнитоэлектрический диод обладает высокой чувствительностью к магнитному полю и может быть использован в построении на его основе устройств автомобильной электроники, автоматики, систем безопасности, биомедицинского оборудования, навигации, зондировании Земли и др.The utility model relates to the field of electronics and can be used in the development of devices such as highly sensitive sensors of magnetic fields, electric currents, electromagnetic fields, converters, renewable energy sources, and other devices. The magnetoelectric (ME) diode is a horizontal p-i-n-diode made of piezoelectric material, as the high-resistance region of which is used a composite magnetostrictive piezoelectric semiconductor structure formed by a high-resistance region of the GaAs substrate and a magnetostrictive layer. The proposed magnetoelectric diode is highly sensitive to the magnetic field and can be used to build on its basis devices for automotive electronics, automation, security systems, biomedical equipment, navigation, Earth sensing, etc.

Description

Предложенное решение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при разработке таких устройств, как высокочувствительные датчики магнитного поля, электрического тока, электромагнитного поля, преобразователи, источники возобновляемой энергии и др.The proposed solution relates to the field of radio electronics and can be used in the development of devices such as highly sensitive sensors of the magnetic field, electric current, electromagnetic field, converters, renewable energy sources, etc.

Основное применение магниточувствительных приборов заключается в построении на их основе устройств автомобильной электроники, автоматики, систем безопасности, биомедицинского оборудования, навигации, зондировании Земли и др.The main application of magnetosensitive devices is to build on their basis devices for automotive electronics, automation, security systems, biomedical equipment, navigation, Earth sensing, etc.

Известен магнитоэлектрический (МЭ) эффект в двухфазных композитных материалах, состоящих из магнитострикционной и пьезоэлектрической компонентов, и заключающийся в намагничивании материала при воздействии на него внешнего электрического поля и появлении электрической поляризации при воздействии внешнего магнитного поля. (см. Бичурин М.И., Петров В.М., Филиппов Д.А., Srinivasan G., Nan C.W. Магнитоэлектрические материалы - М: Академия Естествознания, 2006. - 296 с.). Возможность взаимного преобразования магнитных и электрических полей делает такие материалы перспективными для построения различных устройств функциональной электроники на их основе. Параметры таких устройств зависят от величины МЭ эффекта в композиционном материале.The magnetoelectric (ME) effect is known in two-phase composite materials consisting of magnetostrictive and piezoelectric components, which consists in magnetizing the material when it is exposed to an external electric field and the appearance of electric polarization when exposed to an external magnetic field. (see Bichurin M.I., Petrov V.M., Filippov D.A., Srinivasan G., Nan C.W. Magnetoelectric materials - M: Academy of Natural Sciences, 2006. - 296 p.). The possibility of mutual conversion of magnetic and electric fields makes such materials promising for the construction of various functional electronics devices based on them. The parameters of such devices depend on the magnitude of the ME effect in the composite material.

Известен гигантский МЭ эффект в области электромеханического резонанса (ЭМР) в двухфазных композитных материалах, состоящих из арсенида галлия и никеля, кобальта, метгласа (см. Лалетин В.М., Стогний А.И., Новицкий Н.Н., Поддубная Н.Н. Магнитоэлектрический эффект в структурах на основе металлизированных подложек арсенида галлия. Письма в ЖТФ. - 2014. - Т. 40. - Вып. 21. - С. 71-77; M.I. Bichurin, V.M. Petrov, V.S. Leontiev, S.N. Ivanov, O.V. Sokolov Magnetoelectric effect in layered structures of amorphous ferromagnetic alloy and gallium arsenide. JMMM 424, p. 115-117 (2017)).The giant ME effect is known in the field of electromechanical resonance (EMR) in two-phase composite materials consisting of gallium and nickel arsenide, cobalt, and metglass (see Laletin V.M., Stogniy A.I., Novitsky N.N., Poddubnaya N. N. Magnetoelectric Effect in Structures Based on Metallized Substrates of Gallium Arsenide. Letters to the Physics and Technology Institute - 2014. - V. 40. - Issue 21. - P. 71-77; MI Bichurin, VM Petrov, VS Leontiev, SN Ivanov, OV Sokolov Magnetoelectric effect in layered structures of amorphous ferromagnetic alloy and gallium arsenide. JMMM 424, p. 115-117 (2017)).

Известны магнитодиоды, представляющие собой полупроводниковые приборы с р-n переходом и омическим невыпрямляющим контактом, между которыми находится высокоомная область полупроводника, (см. Стафеев В.И., Каракушан Э.И. Магнитодиоды. - М.: Наука, 1975. - 216 с.). При помещении таких приборов во внешнее магнитное поле в них возникает магнитодиодный эффект, проявляющийся в сильном изменении сопротивления базы диода и прямого тока вследствие резкого изменения концентрации неравновесных носителей под воздействием внешнего магнитного поля.Magnetodiodes are known, which are semiconductor devices with a pn junction and an ohmic non-rectifying contact between which there is a high-resistance region of the semiconductor (see Stafeev V.I., Karakushan E.I. Magnitodiodes. - M .: Nauka, 1975. - 216 from.). When such devices are placed in an external magnetic field, a magnetodiode effect occurs in them, which manifests itself in a strong change in the resistance of the diode base and direct current due to a sharp change in the concentration of nonequilibrium carriers under the influence of an external magnetic field.

Известен вертикальный магнитодиод, выполненный на полупроводниках с S-образной характеристикой (а.с. СССР №1161831, G01R 33/00, 15.06.85, Бюл. №22. - 3 с.). В таких магнитодиодах положительная обратная связь, ответственная за возникновение S-образной вольт-амперной характеристики, ослабевает за счет магнитодиодного эффектаKnown vertical magnetodiode made on semiconductors with an S-shaped characteristic (AS USSR No. 1161831, G01R 33/00, 06/15/85, Bull. No. 22. - 3 C.). In such magnetodiodes, the positive feedback responsible for the appearance of an S-shaped current-voltage characteristic weakens due to the magnetodiode effect

Известен горизонтальный магнитодиод, выполненный на высокоомной полупроводниковой подложке в виде меза-структур с помощью диффузии, представляющий собой одновременно несколько магнитодиодов с различной длиной базы (см. RU №2304322, H01L 21/18, 10.08.2007). Предложенные решения позволяют проводить технологическую подгонку магнитодиодов по чувствительности, расширить динамический диапазон магниточувствительности, снизить себестоимость и повысить процент выхода годных приборов.A horizontal magnetodiode is known made on a high-resistance semiconductor substrate in the form of mesa structures using diffusion, which is simultaneously several magnetodiodes with different base lengths (see RU No. 2304322, H01L 21/18, 08/10/2007). The proposed solutions allow us to carry out technological adjustment of the magneto-diodes by sensitivity, expand the dynamic range of magnetosensitivity, reduce costs and increase the percentage of suitable devices.

Недостатками известных конструкций магнитодиодов являются низкая магниточувствительность, необходимость больших магнитных полей и малый динамический диапазон.The disadvantages of the known designs of magnetodiodes are low magnetosensitivity, the need for large magnetic fields and a small dynamic range.

Наиболее близким по техническому решению является магнитодиод, который представляет собой полупроводниковый прибор с р-n-переходом и омическом контактом, между которыми находится высокоомного область полупроводника (p-i-n-структура). Магнитодиоды изготавливаются из высокоомного полупроводникового материала с проводимостью, близкой к собственной, и шириной базы в несколько раз большей диффузионной длины пробега носителей. В длинных диодах при прохождении электрического тока определяющими становятся процессы, зависящие от рекомбинации и движения неравновесных носителей заряда в базе и на поверхности. В прямом направлении при высоких уровнях инжекции проводимость магнитодиода определяется инжектированными в базу неравновесными носителями. Падение напряжения происходит не на р-n переходе, а на высокоомной базе. Если магнитодиод, через который протекает ток, поместить в поперечное магнитное поле, то произойдет увеличение сопротивления базы за счет повышения роли поверхностной рекомбинации отклоняющихся к поверхности полупроводника носителей заряда. Пропорционально величине внешнего магнитного поля изменяется вольт-амперная характеристика магнитодиода. (см. Егиазарян Г.А., Стафеев В.И. Магнитодиоды, магнитотранзисторы и их применение. - М.: Радио и связь, 1987, с. 12-13) - прототип.The closest in technical solution is a magnetodiode, which is a semiconductor device with a pn junction and an ohmic contact, between which there is a high-resistance region of the semiconductor (p-i-n structure). Magnetodiodes are made of high-resistance semiconductor material with conductivity close to intrinsic and base width several times greater than the diffusion path of carriers. In long diodes, when electric current passes, processes that depend on the recombination and motion of nonequilibrium charge carriers in the base and on the surface become decisive. In the forward direction, at high injection levels, the conductivity of the magnetodiode is determined by nonequilibrium carriers injected into the base. The voltage drop does not occur at the pn junction, but at a high-resistance base. If the magnetodiode through which the current flows is placed in a transverse magnetic field, then there will be an increase in the base resistance due to an increase in the role of surface recombination of charge carriers deflecting to the surface of the semiconductor. In proportion to the magnitude of the external magnetic field, the current – voltage characteristic of the magnetodiode changes. (see Egiazaryan G.A., Stafeev V.I. Magnetodiodes, magnetotransistors and their application. - M .: Radio and communications, 1987, p. 12-13) - prototype.

Недостатками прототипа являются низкая магниточувствительность, необходимость больших магнитных полей и малый динамический диапазон.The disadvantages of the prototype are low magnetosensitivity, the need for large magnetic fields and a small dynamic range.

Задачей предложенного решения является повышение чувствительности к магнитному полю.The objective of the proposed solution is to increase the sensitivity to the magnetic field.

Для решения данной задачи предложен арсенид галлиевый магнитоэлектрический (МЭ) диод, состоящий из горизонтально расположенных областей р, i и n-типа, сформированных в высокоомной полупроводниковой подложке, в котором в качестве высокоомной i-области используется композиционная магнитострикционно-пьезополупроводниковая структура, образованная высокоомной областью подложки GaAs и магнитострикционным слоем.To solve this problem, a gallium magnetoelectric (ME) diode is proposed, consisting of horizontally located p, i, and n-type regions formed in a high-resistance semiconductor substrate, in which a magneto-strictive piezoelectric semiconductor structure formed by a high-resistance region is used as a high-resistance i-region GaAs substrates and a magnetostrictive layer.

Для реализации арсенид галлиевого МЭ диода предлагается вместо высокоомной области горизонтального p-i-n-диода использовать композиционную магнитострикционно-пьезополупроводниковую структуру, образованную высокоомной подложкой арсенида галлия (GaAs) и магнитострикционным слоем (никеля метгласа, пермендюра и др.) для управления сопротивлением базы диода. Благодаря наличию в таком приборе МЭ эффекта возможно резонансное увеличение магнитной чувствительности к магнитному полю в области электромеханического резонанса с использованием различных типов колебаний (продольной, поперечной, тол шинной, сдвиговой, крутильной мод). При совпадении частот электромеханического и ферромагнитного резонансов в композиционной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуре возможно дополнительное увеличение чувствительности. Предлагаемое решение позволяет получить следующий технический результат - повышение чувствительности к магнитному полю.To implement gallium arsenide ME diode, instead of the high-resistance region of the horizontal p-i-n-diode, it is proposed to use a composite magnetostrictive piezoelectric semiconductor structure formed by a high-resistance gallium arsenide (GaAs) substrate and a magnetostrictive layer (metglas nickel, permendure, etc.) to control the resistance of the diode base. Due to the presence of the ME effect in such a device, a resonant increase in the magnetic sensitivity to the magnetic field in the field of electromechanical resonance is possible using various types of vibrations (longitudinal, transverse, longitudinal, shear, and torsional modes). When the frequencies of electromechanical and ferromagnetic resonances coincide in a composite magnetostrictive piezoelectric semiconductor structure, an additional increase in sensitivity is possible. The proposed solution allows to obtain the following technical result - increasing the sensitivity to the magnetic field.

Для пояснения предполагаемого решения предложен чертеж.To clarify the proposed solutions proposed drawing.

Фиг. 1 - Конструкция арсенид галлиевого МЭ диода.FIG. 1 - Design of gallium arsenide ME diode.

Устройство состоит из арсенид-галлиевой подложки (содержащей высокоомную- область 1, область p-типа 2 и область n-типа 3), омического контакта к области p-типа 4, омического контакта к области n-типа 5, магнитострикционного слоя 6 и постоянного магнита 7. Высокоомная область подложки 1 и магнитострикционный слой 6 образуют композиционную магнитострикционно-пьезополупроводниковую структуру.The device consists of a gallium arsenide substrate (containing a high-resistance region 1, a p-type region 2 and an n-type region 3), an ohmic contact to the p-type region 4, an ohmic contact to the n-type region 5, a magnetostrictive layer 6, and a constant magnet 7. The high-resistance region of the substrate 1 and the magnetostrictive layer 6 form a composite magnetostrictive piezoelectric semiconductor structure.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Предлагаемая конструкция размещается во внешнем постоянном магнитном поле Н, ориентированном в соответствии с фиг. 1, создаваемом постоянным магнитом 7. Магнитное поле Н намагничивает магнитострикционный слой 6 до насыщения. Внешнее переменное модулирующее магнитное поле h(t), ориентированное в соответствии с фиг. 1, приводит к периодической механической деформации магнитострикционного слоя 6 с частотой модуляции за счет магнитострикции. Благодаря механической связи между магнитострикционным слоем 6 и высокоомной областью арсенид галлиевой подложки 1, возникающие в магнитострикционном слое 6 механические деформации передаются высокоомной области арсенид галлиевой подложки 1. Модулированные механические деформации в высокоомной области арсенид галлиевой подложки приводят к возникновению ЭДС в результате пьезоэлектрического эффекта и к модуляции сопротивления базы и прямого тока МЭ диода за счет увеличения пути прохождения носителей заряда между областями p-типа 2 и n-типа 3. Модуляция базы диода приводит к изменению вольт-амперной характеристики диода, измеряемой с помощью омических контактов 4 и 5. При совпадении частоты модулирующего магнитного поля и с частотой продольных колебаний композиционной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры, образованной высокоомной областью подложки 1 и магнитострикционным слоем 6, определяющихся длиной базы арсенид галлиевого МЭ диода, будет наблюдаться увеличение чувствительности МЭ диода к магнитному полю благодаря резонансному МЭ эффекту, (см. M.I. Bichurin, V.M. Petrov, V.S. Leontiev, S.N. Ivanov, O.V. Sokolov Magnetoelectric effect in layered structures of amorphous ferromagnetic alloy and gallium arsenide. JMMM 424, p. 115-117 (2017)).The proposed design is placed in an external constant magnetic field H oriented in accordance with FIG. 1 created by the permanent magnet 7. The magnetic field H magnetizes the magnetostrictive layer 6 to saturation. An external variable modulating magnetic field h (t) oriented in accordance with FIG. 1 leads to periodic mechanical deformation of the magnetostrictive layer 6 with a modulation frequency due to magnetostriction. Due to the mechanical connection between the magnetostrictive layer 6 and the high-resistance region of gallium arsenide substrate 1, the mechanical deformations occurring in the magnetostrictive layer 6 are transmitted to the high-resistance region of gallium arsenide 1. Modulated mechanical deformations in the high-resistance region of gallium arsenide cause EMF as a result of the piezoelectric effect and the resistance of the base and the direct current of the ME diode by increasing the path of the charge carriers between the p-type regions 2 and n- type 3. Modulation of the diode base leads to a change in the current-voltage characteristic of the diode, measured using ohmic contacts 4 and 5. When the frequency of the modulating magnetic field coincides with the frequency of longitudinal vibrations of the composite magnetostrictive piezoelectric semiconductor structure formed by the high-resistance region of the substrate 1 and the magnetostrictive layer 6 , determined by the base length of the gallium arsenide ME diode, an increase in the sensitivity of the ME diode to the magnetic field due to the resonant ME effect will be observed (see M.I. Bichurin, V.M. Petrov, V.S. Leontiev, S.N. Ivanov, O.V. Sokolov Magnetoelectric effect in layered structures of amorphous ferromagnetic alloy and gallium arsenide. JMMM 424, p. 115-117 (2017)).

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет повысить чувствительность магнитоэлектрических датчиков магнитного поля, электрического тока, преобразователей, источников возобновляемой энергии, устройств медицинской техники и других устройств.Thus, the proposed design allows to increase the sensitivity of magnetoelectric sensors of the magnetic field, electric current, converters, renewable energy sources, medical equipment devices and other devices.

Claims

Gallium arsenide magnetoelectric diode consisting of horizontally located p, i and n-type regions formed in a high-resistance semiconductor substrate, characterized in that a composite magnetostrictive piezoelectric semiconductor structure formed by a high-resistance GaAs substrate and a magnetostrictive layer is used as a high-resistance i-region .