RU2262777C1 - Magnetic field sensor - Google Patents
Magnetic field sensor Download PDFInfo
- 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
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 9
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 8
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- -1 MOS hydride Chemical class 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 150000002902 organometallic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
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]:
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
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)
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)
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 |
-
2004
- 2004-05-27 RU RU2004116142/28A patent/RU2262777C1/en active
Cited By (4)
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 |