RU2262777C1 - Magnetic field sensor - Google Patents

Magnetic field sensor Download PDF

Info

Publication number
RU2262777C1
RU2262777C1 RU2004116142/28A RU2004116142A RU2262777C1 RU 2262777 C1 RU2262777 C1 RU 2262777C1 RU 2004116142/28 A RU2004116142/28 A RU 2004116142/28A RU 2004116142 A RU2004116142 A RU 2004116142A RU 2262777 C1 RU2262777 C1 RU 2262777C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
magnetic field
magnetically sensitive
field sensor
thickness
layer
Prior art date
Application number
RU2004116142/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Г.Ф. Карлова (RU)
Г.Ф. Карлова
Л.П. Пороховниченко (RU)
Л.П. Пороховниченко
Л.П. Умбрас (RU)
Л.П. Умбрас
Original Assignee
Открытое акционерное общество Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов (ОАО НИИПП)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов (ОАО НИИПП) filed Critical Открытое акционерное общество Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов (ОАО НИИПП)
Priority to RU2004116142/28A priority Critical patent/RU2262777C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2262777C1 publication Critical patent/RU2262777C1/en

Links

Landscapes

  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

FIELD: semiconductor magnetic field sensors.
SUBSTANCE: proposed Hall-effect magnetic field sensor has arsenide-gallium chip incorporating semi-insulating substrate, magnetically sensitive epitaxial n layer, current and potential contacts; thickness of magnetically sensitive later (d) is specified in the range of d = (0.2 - 1.5) μv and mean concentration of electrons (n) in mentioned layer is chosen from following expression: n·d=(3,3-20)·1011 cm2.
EFFECT: enhanced specific magnetic sensitivity without noticeable increase in residual voltage and noise level or reducing operating stability.
2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковым магниточувствительным устройствам и может быть использовано как датчик магнитного поля в составе измерительной аппаратуры и в различных системах автоматического управления.The invention relates to semiconductor magnetically sensitive devices and can be used as a magnetic field sensor as part of measuring equipment and in various automatic control systems.

Известны устройства для измерения магнитной индукции, например датчики, использующие эффект Холла. Конструктивно они представляют собой полупроводниковую пластину прямоугольной формы с двумя парами ортогонально расположенных электрических контактов [1]. Принцип действия таких устройств состоит в том, что при протекании электрического тока между одной парой контактов и под воздействием магнитного поля, вектор которого перпендикулярен вектору тока, возникает ЭДС Холла на другой паре электрических контактов. Максимальная величина ЭДС Холла (Uxmax), а следовательно, и чувствительность датчика зависят от геометрии пластины (главным образом, толщины), концентрации и подвижности носителей заряда [2]:Known devices for measuring magnetic induction, for example, sensors using the Hall effect. Structurally, they are a rectangular semiconductor wafer with two pairs of orthogonally located electrical contacts [1]. The principle of operation of such devices is that when an electric current flows between one pair of contacts and under the influence of a magnetic field whose vector is perpendicular to the current vector, a Hall EMF appears on another pair of electrical contacts. The maximum value of the Hall EMF (U xmax ), and therefore the sensitivity of the sensor, depends on the geometry of the plate (mainly thickness), the concentration and mobility of charge carriers [2]:

Figure 00000002
Figure 00000002

гдеWhere

А - постоянная Холла;A is the Hall constant;

μ - подвижность носителей заряда;μ is the mobility of charge carriers;

n - концентрация носителей заряда;n is the concentration of charge carriers;

d - толщина пластины (магниточувствительного объема кристалла).d is the thickness of the plate (magnetically sensitive crystal volume).

Недостатком таких устройств является низкая чувствительность из-за технологических трудностей обеспечения малой толщины пластины.The disadvantage of such devices is the low sensitivity due to technological difficulties in ensuring the small thickness of the plate.

Из полупроводниковых материалов, используемых для изготовления высокочувствительных датчиков магнитного поля, согласно выражению (1) наиболее пригодны материалы А3В5 с высокой подвижностью электронов, такие как InSb, InAs, GaAs и др. Из них использование арсенида галлия предпочтительно для производства датчиков, предназначенных для работы в широком диапазоне температур и в условиях воздействия радиоактивного излучения и факторов космического пространства [3]. Изготовление арсенидогаллиевых датчиков в тонкопленочном исполнении позволяет задавать толщину магниточувствительной области кристалла от единиц нанометров до нескольких микрометров. Удельная магнитная чувствительность промышленных эпитаксиальных арсенидогаллиевых датчиков магнитного поля составляет 20-280 В/А·Тл [4].Of the semiconductor materials used for the manufacture of highly sensitive magnetic field sensors, according to expression (1), A 3 B 5 materials with high electron mobility, such as InSb, InAs, GaAs, etc., are most suitable. Of these, the use of gallium arsenide is preferable for the production of sensors intended for operation in a wide range of temperatures and under conditions of exposure to radioactive radiation and space factors [3]. The production of thin-film arsenide-gallium sensors makes it possible to set the thickness of the magnetically sensitive region of the crystal from a few nanometers to several micrometers. The specific magnetic sensitivity of industrial epitaxial arsenidogallium magnetic field sensors is 20-280 V / A · T [4].

Однако неограниченное уменьшение толщины магниточувствительной области (d) и (или) концентрации носителей заряда (n) для достижения согласно выражению (1) высоких значений Uxmax приводит к таким негативным факторам, как увеличение остаточного напряжения датчика, рост входного и выходного сопротивлений, а также повышение уровня шумов и снижение стабильности работы.However, an unlimited decrease in the thickness of the magnetically sensitive region (d) and (or) the concentration of charge carriers (n) to achieve high values of U xmax according to expression (1) leads to such negative factors as an increase in the residual voltage of the sensor, an increase in the input and output resistances, and increased noise and reduced stability.

Наиболее близким заявляемому настоящим изобретением устройству является датчик магнитного поля, содержащий подложку из полуизолирующего арсенида галлия, на которой методом МОС-гидридной технологии эпитаксиально выращен магниточувствительный слой электронного типа проводимости [5]. Удельная магниточувствительность указанных датчиков составляла 220 В/А·Тл при толщине эпитаксиальной пленки 0,35 мкм и концентрации электронов в ней 8,8·1016 см-3.The closest device claimed by the present invention is a magnetic field sensor containing a substrate of semi-insulating gallium arsenide on which a magnetically sensitive layer of electronic type of conductivity is epitaxially grown by the method of MOS hydride technology [5]. The specific magnetosensitivity of these sensors was 220 V / A · T with an epitaxial film thickness of 0.35 μm and an electron concentration of 8.8 · 10 16 cm -3 in it .

Однако достигнутый уровень чувствительности арсенидогаллиевых датчиков магнитного поля недостаточен для ряда астрофизических измерений и особенно измерений в области малых значений магнитной индукции.However, the achieved sensitivity level of arsenidogallium magnetic field sensors is insufficient for a number of astrophysical measurements, and especially measurements in the region of small values of magnetic induction.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое решение, состоит в увеличении в несколько раз удельной магнитной чувствительности датчика магнитного поля без заметного увеличения остаточного напряжения, уровня шумов и без снижения стабильности работы.The technical result, the achievement of which the claimed solution is directed, consists in increasing several times the specific magnetic sensitivity of the magnetic field sensor without a noticeable increase in the residual voltage, noise level and without reducing stability.

Положительный результат достигается тем, что устройство датчика магнитного поля, включающее арсенидогаллиевый кристалл, состоящий из полуизолирующей подложки, магниточувствительного эпитаксиального слоя электронного типа проводимости, токовых и потенциальных контактов, имеет толщину магниточувствительного слоя d=(0,2-1,5) мкм, в котором средняя концентрация электронов (n) технологически задана из соотношенияA positive result is achieved by the fact that the device of the magnetic field sensor, including an arsenidogallium crystal, consisting of a semi-insulating substrate, a magnetically sensitive epitaxial layer of the electronic type of conductivity, current and potential contacts, has a thickness of the magnetically sensitive layer d = (0.2-1.5) μm, in where the average electron concentration (n) is technologically given from the relation

Figure 00000003
Figure 00000003

Для повышения стабильности работы датчика концентрация электронов по толщине магниточувствительного слоя непрерывно возрастает от подложки в сторону электрических контактов.To increase the stability of the sensor, the electron concentration across the thickness of the magnetically sensitive layer continuously increases from the substrate towards the electrical contacts.

Практическая реализация заявляемого устройства стала возможной благодаря экспериментально установленному оптимальному соотношению (2) между толщиной магниточувствительного слоя и концентрацией электронов в нем в диапазоне толщин магниточувствительного слоя (0,2-1,5) мкм. Диапазон концентраций электронов для выполнения этого соотношения составляет 2·1015-2·1016 см-3. В рамках МОС-гидридной эпитаксиальной технологии, использованной в прототипе, получение эпитаксиальных слоев с указанной концентрацией требует больших материальных затрат на глубокую очистку металлоорганических соединений. В изготовлении заявляемого датчика магнитного поля использован хлоридный метод эпитаксиального наращивания, позволяющий обеспечить необходимый уровень концентрации электронов и заданный профиль легирования при значительно меньших затратах на очистку транспортных агентов. Чтобы снизить негативное влияние неравномерности пространственного распределения электрического поля в магниточувствительном слое на стабильность работы датчика, концентрация электронов в магниточувствительном слое кристалла увеличивается от подложки к электрическим контактам.The practical implementation of the claimed device has become possible due to the experimentally established optimal ratio (2) between the thickness of the magnetically sensitive layer and the concentration of electrons in it in the range of thicknesses of the magnetically sensitive layer (0.2-1.5) microns. The range of electron concentrations for fulfilling this ratio is 2 · 10 15 -2 · 10 16 cm -3 . In the framework of the MOS hydride epitaxial technology used in the prototype, the preparation of epitaxial layers with the indicated concentration requires large material costs for the deep cleaning of organometallic compounds. In the manufacture of the inventive magnetic field sensor, the chloride method of epitaxial growth was used, which allows to provide the necessary level of electron concentration and a predetermined doping profile at significantly lower costs for cleaning transport agents. To reduce the negative effect of the uneven spatial distribution of the electric field in the magnetically sensitive layer on the stability of the sensor, the electron concentration in the magnetically sensitive crystal layer increases from the substrate to the electrical contacts.

На чертеже схематически представлен один из возможных вариантов устройства заявляемого датчика, состоящего из кристалла, включающего подложку полуизолирующего арсенида галлия 1 и эпитаксиальный магниточувствительный слой 2. Кристалл установлен на керамический носитель 3. Токовые и потенциальные контакты 4 и 5, сформированные по планарной технологии, соединены проволочными выводами 7 с металлизированными контактными площадками 6 на керамическом носителе 3. Герметизирующим компаундом 8 обеспечивается монолитность конструкции датчика. На фигуре не показаны электрические соединения потенциальных контактов 5 кристалла с контактными площадками керамического носителя 3.The drawing schematically shows one possible device of the inventive sensor, consisting of a crystal, including a substrate of semi-insulating gallium arsenide 1 and an epitaxial magnetically sensitive layer 2. The crystal is mounted on a ceramic carrier 3. Current and potential contacts 4 and 5 formed by planar technology are connected by wire conclusions 7 with metallized contact pads 6 on a ceramic carrier 3. Sealing compound 8 provides a monolithic design of the sensor. The figure does not show the electrical connections of the potential contacts 5 of the crystal with the pads of the ceramic carrier 3.

Работает датчик по известному принципу действия традиционных элементов Холла: через токовые контакты 4 пропускают управляющий электрический ток, что вызывает под воздействием магнитного поля возникновение на потенциальных контактах 5 сигнала, пропорционального магнитной индукции.The sensor works according to the well-known principle of the action of traditional Hall elements: a control electric current is passed through current contacts 4, which causes a signal proportional to magnetic induction on potential contacts 5 under the influence of a magnetic field.

Экспериментально установлено, что при толщине магниточувствительного слоя менее 0,2 мкм при любых значениях концентрации электронов возрастают остаточное напряжение, входное и выходное сопротивление и шумы датчика магнитного поля. При толщине магниточувствительного слоя более 1,5 мкм резко уменьшается чувствительность датчика.It was experimentally established that with a thickness of the magnetosensitive layer less than 0.2 μm at any values of the electron concentration, the residual voltage, input and output resistance, and noise of the magnetic field sensor increase. When the thickness of the magnetically sensitive layer is more than 1.5 μm, the sensitivity of the sensor decreases sharply.

Пример практического исполнения. Были изготовлены датчики магнитного поля с толщиной магниточувствительного слоя 0,3 мкм и средней концентрацией электронов 1016 см-3. Их удельная магнитная чувствительность достигала 2000 В/А·Тл, что почти на порядок выше, чем у прототипа. Они устойчиво функционировали при рабочих токах 0,2-1 мА. Входное сопротивление датчиков составляло не более 2500 Ом, удельное остаточное напряжение не превышало 6-8 В/А. Для уменьшения негативного влияния кристаллических дефектов на границе раздела подложка - эпитаксиальный магниточувствительный слой между ними наращивался тонкий (3 мкм) нелегированный буферный слой. Для снижения контактного сопротивления поверх слоя 2 наращивался тонкий (0,15 мкм) сильнолегированный промежуточный контактный слой (на чертеже буферный и контактный слои не показаны). Градиент концентрации электронов задавался в пределах технологических возможностей эпитаксиалного роста по толщине магниточувствительного слоя и составлял 5·1021 см-4. Изготовленные датчики магнитного поля работоспособны в диапазоне температур -60÷+100°С.An example of practical implementation. Magnetic field sensors were manufactured with a magnetically sensitive layer thickness of 0.3 μm and an average electron concentration of 10 16 cm -3 . Their specific magnetic sensitivity reached 2000 V / A · T, which is almost an order of magnitude higher than that of the prototype. They steadily functioned at operating currents of 0.2-1 mA. The input resistance of the sensors was no more than 2500 Ohms, the specific residual voltage did not exceed 6-8 V / A. To reduce the negative effect of crystalline defects, a thin (3 μm) undoped buffer layer was grown between them at the substrate – epitaxial magnetosensitive layer. To reduce contact resistance, a thin (0.15 μm) heavily doped intermediate contact layer was built up over layer 2 (the buffer and contact layers are not shown in the drawing). The electron concentration gradient was set within the technological capabilities of epitaxial growth over the thickness of the magnetically sensitive layer and amounted to 5 · 10 21 cm -4 . The manufactured magnetic field sensors are operable in the temperature range of -60 ÷ + 100 ° С.

ЛитератураLiterature

1. Г.Вайсс. Физика гальваномагнитных приборов и их применение. - М.: Энергия, 1974, с.10.1. G. Weiss. Physics of galvanomagnetic devices and their application. - M .: Energy, 1974, p. 10.

2. М.М.Мирзабаев, К.Д.Потаенко, В.И.Тихонов и др. Эпитаксиальные датчики Холла и их применение.2. MM Mirzabaev, KD Potaenko, V. Tikhonov and others. Epitaxial Hall sensors and their application.

3. И.М.Викулин, Л.Ф.Викулина, В.И.Стафеев. Гальваномагнитные приборы. - М.: Радио и связь, 1983, с.9-13.3. I.M.Vikulin, L.F. Vikulina, V.I. Stafeev. Galvanomagnetic devices. - M.: Radio and Communications, 1983, p. 9-13.

4. М.Л.Бараночников. Микромагнитоэлектроника. - М.: DMK Пресс, 2001, с.47.4. M.L. Baranochnikov. Micromagnetoelectronics. - M.: DMK Press, 2001, p. 47.

5. R. Campesato et.al. GaAs Hall sensor made by the MOCVD technique. Реферативный журнал "Электроника", 1993, №4, реф. 4Б216.5. R. Campesato et.al. GaAs Hall sensor made by the MOCVD technique. Abstract journal "Electronics", 1993, No. 4, ref. 4B216.

Claims (2)

1. Датчик магнитного поля, включающий арсенидогаллиевый кристалл, состоящий из полуизолирующей подложки, эпитаксиального магниточувствительного слоя электронного типа проводимости, токовых и потенциальных контактов, отличающийся тем, что магниточувствительный слой имеет толщину d=(0,2-1,5) мкм, в котором средняя концентрация электронов (n) технологически задана из соотношения n·d=(3,3-20)·1011 см-2.1. A magnetic field sensor comprising an arsenide-gallium crystal, consisting of a semi-insulating substrate, an epitaxial magnetically sensitive layer of electronic type of conductivity, current and potential contacts, characterized in that the magnetically sensitive layer has a thickness d = (0.2-1.5) μm, in which the average electron concentration (n) is technologically given from the relation n · d = (3.3-20) · 10 11 cm -2 . 2. Датчик магнитного поля по п.1, отличающийся тем, что концентрация электронов в магниточувствительном слое возрастает от подложки в сторону поверхности кристалла.2. The magnetic field sensor according to claim 1, characterized in that the concentration of electrons in the magnetically sensitive layer increases from the substrate towards the surface of the crystal.
RU2004116142/28A 2004-05-27 2004-05-27 Magnetic field sensor RU2262777C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004116142/28A RU2262777C1 (en) 2004-05-27 2004-05-27 Magnetic field sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004116142/28A RU2262777C1 (en) 2004-05-27 2004-05-27 Magnetic field sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2262777C1 true RU2262777C1 (en) 2005-10-20

Family

ID=35863201

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004116142/28A RU2262777C1 (en) 2004-05-27 2004-05-27 Magnetic field sensor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2262777C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2490753C1 (en) * 2012-02-27 2013-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) Magnetic flux density sensor
RU2513655C1 (en) * 2012-11-12 2014-04-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) Magnetic field sensor and method of its manufacturing
RU175590U1 (en) * 2017-04-25 2017-12-11 Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное государственное казенное учреждение "Войсковая часть 68240" THREE-AXIS MICROSYSTEM ANALYSIS OF WEAK MAGNETIC FIELDS
RU2792816C1 (en) * 2022-07-19 2023-03-24 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" Semiconductor device with a controlled dropping section of induced volt-current characteristics

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2490753C1 (en) * 2012-02-27 2013-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) Magnetic flux density sensor
RU2513655C1 (en) * 2012-11-12 2014-04-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) Magnetic field sensor and method of its manufacturing
RU175590U1 (en) * 2017-04-25 2017-12-11 Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное государственное казенное учреждение "Войсковая часть 68240" THREE-AXIS MICROSYSTEM ANALYSIS OF WEAK MAGNETIC FIELDS
RU2792816C1 (en) * 2022-07-19 2023-03-24 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" Semiconductor device with a controlled dropping section of induced volt-current characteristics

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2238571C2 (en) Magnetic field sensor
US5184106A (en) Magnetic field sensor with improved electron mobility
Gooch et al. Properties of Semi‐Insulating GaAs
Kanai et al. Dielectric constant of PbTe
US2942177A (en) Method and means for measuring magnetic field strength
JP5710814B2 (en) Field effect transistor device
US3448353A (en) Mos field effect transistor hall effect devices
US6630882B1 (en) Composite magnetic sensor
Dowling et al. Micro-tesla offset in thermally stable AlGaN/GaN 2DEG Hall plates using current spinning
Volokhin et al. Prospects of nanomaterials use in current and voltage hall sensors to improve the measurements accuracy and reduce the external impacts
Delfanazari et al. On-chip hybrid superconducting-semiconducting quantum circuit
RU2262777C1 (en) Magnetic field sensor
Liao et al. Current coupling effect in MIS tunnel diode with coupled open-gated MIS structure
Farag et al. Analysis of the electrical properties of p–n GaAs homojunction under dc and ac fields
EP0039392A1 (en) Stabilized magnetically sensitive avalanche transistor
Kumar et al. Hall‐effect sensors based on AlGaN/GaN heterojunctions on Si substrates for a wide temperature range
Kyburz et al. Highly sensitive In/sub 0.53/Ga/sub 0.47/As/InP Hall sensors grown by MOVPE
KR930000793B1 (en) Improved position sensor
JPH0769407B2 (en) Magnetic detection device
US4385309A (en) Semiconductor device for optical dosage measurement
JPS6354785A (en) Hetero-junction magnetic sensor
Schacham et al. Room‐temperature determination of two‐dimensional electron gas concentration and mobility in heterostructures
EP0305978B1 (en) Magnetoelectric element and magnetoelectric apparatus
Flynn Silicon depletion layer magnetometer
Pettenpaul et al. GaAs Hall devices produced by local ion implantation