TW201605035A - 磁場感應器 - Google Patents

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    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/066—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices field-effect magnetic sensors, e.g. magnetic transistor

Abstract

一種使用半導體薄膜之場效電晶體結構，並可適當控制靈敏度的磁場感應器，其包含半導體薄膜、汲極、源極、閘極、第一霍爾電極、及第二霍爾電極，其中根據對汲極施加之汲極電壓和對閘極施加之閘極電壓，在汲極與源極之間會存在汲極電流通過半導體薄膜的通道區域，在第一霍爾電極與第二霍爾電極之間會根據汲極電流和通道區域中存在的磁場產生霍爾電壓，對閘極施加的閘極電壓之值在最低允許閘極電壓值之上，而不位於低於最低允許閘極電壓值之低電壓範圍。

Description

磁場感應器
本案係關於一種使用半導體薄膜之磁場感應器。
以往，是使用利用霍爾效應(Hall effect)之元件(霍爾元件)來作為磁場感應器。若對元件中流通的電流施加磁場，則磁場感應器會在與電流方向和外加磁場方向互相垂直之方向上產生電動勢(霍爾電壓)。因此，可藉由測量此霍爾電壓來測量磁場。
已知一種使用半導體薄膜之場效電晶體結構的磁場感應器，可用於各種機器，但是，由於半導體薄膜並非單一的結晶質，使用半導體薄膜之場效電晶體結構的磁場感應器，無法如使用半導體基板一般擁有穩定的電學特性。
本發明之目的在於提供一種磁場感應器，其使用半導體薄膜之場效電晶體結構，並可適當地控制靈敏度。
為了實現上述目的，本案之一態樣係關於一種磁場感應器，其包含半導體薄膜、汲極、源極、閘極、第一霍爾 電極、及第二霍爾電極，根據對汲極施加之汲極電壓和對閘極施加之閘極電壓，在汲極與源極之間會存在汲極電流通過半導體薄膜的通道區域，在第一霍爾電極與第二霍爾電極之間會根據汲極電流和通道區域中存在的磁場產生霍爾電壓，其中對閘極施加的閘極電壓之值在最低允許閘極電壓值之上，而不位於低於最低允許閘極電壓值之低電壓範圍。
根據本案之上述實施例，可提供一種磁場感應器，其使用半導體薄膜之場效電晶體結構，並可適當地控制靈敏度。
1‧‧‧磁場感應器
2‧‧‧半導體薄膜
20‧‧‧通道區域
21‧‧‧汲極區域
22‧‧‧源極區域
23‧‧‧第一霍爾區域
24‧‧‧第二霍爾區域
3‧‧‧汲極
4‧‧‧源極
5‧‧‧閘極
6‧‧‧第一霍爾電極
7‧‧‧第二霍爾電極
8‧‧‧二維磁場測量儀
8a‧‧‧電路元件
8b‧‧‧電路元件
8c‧‧‧電路元件
9‧‧‧磁場測定控制器
1A‧‧‧基板
1B‧‧‧絕緣膜
3A‧‧‧接觸孔
4A‧‧‧接觸孔
5A‧‧‧閘極絕緣膜
6A‧‧‧接觸孔
7A‧‧‧接觸孔
8A‧‧‧磁性測量單元
Vh‧‧‧霍爾電壓
Ids‧‧‧汲極電流
R0‧‧‧低電壓範圍
Vgs‧‧‧閘極電壓
V0‧‧‧最低允許閘極電壓值
W‧‧‧寬度
S‧‧‧線
L‧‧‧長度
Pl‧‧‧曲折路徑
Pu‧‧‧曲折路徑
Pm‧‧‧曲折路徑
a~q‧‧‧特性曲線
m'‧‧‧直線
第1圖是根據本案一實施例所繪示的磁場感應器的結構平面圖；第2圖是根據本案一實施例所繪示第1圖中S-S線部分的剖面圖；第3圖是根據本案一實施例所繪示的一閘極電壓-霍爾電壓特性之特性示意圖；第4圖是根據本案一實施例所繪示的另一閘極電壓-霍爾電壓特性之特性示意圖；第5圖是用於說明本案一實施例的特性之模式圖；第6圖是用於說明本案一實施例的特性之模式的特性圖； 第7圖是根據本案一實施例所繪示的一閘極電壓-汲極電流之特性示意圖；第8圖是根據本案另一實施例所繪示的磁場感應器的結構剖面圖；第9圖是根據本案另一實施例所繪示的一閘極電壓-霍爾電壓特性之特性示意圖；第10圖是將第9圖的特性示意圖局部放大之特性示意圖；第11圖是繪示應用本案實施例之磁場感應器的二維磁場測量儀之立體圖；第12圖是繪示第11圖中二維磁場測量儀的之部分結構之電路圖。
以下，針對用於實施本發明的形態，參照附圖進行說明。如第1圖和第2圖所示，本發明一實施例中的磁場感應器1中，在樹脂基板或玻璃基板等基板1A上，隔著絕緣膜1B等，設有構成場效電晶體的半導體薄膜2、汲極3、源極4及閘極5，並增設有第一霍爾電極6、第二霍爾電極7。該磁場感應器1可以根據對汲極3施加之汲極電壓和對閘極5施加之閘極電壓Vgs，在汲極3與源極4之間會存在汲極電流Ids通過半導體薄膜2的通道區域20。此外，當通道區 域20存在來自外部的磁場時，磁場感應器1可以根據該磁場和汲極電流Ids，在第一霍爾電極6與第二霍爾電極7之間產生霍爾電壓Vh。本發明一實施例中的磁場感應器1具備這種結構。
此外，該磁場感應器1對於閘極5施加的閘極電壓Vgs之值在最低允許閘極電壓值V0之上，而不低於最低允許閘極電壓值V0之低電壓範圍R0。(參照第3圖和第4圖)由於磁場感應器1設定有最低允許閘極電壓值V0，因此如後述實施例所說明一般，可適當地控制靈敏度。
其中，半導體薄膜2可以是多晶半導體、非晶半導體及微晶半導體。最低允許閘極電壓值V0是與這些半導體種類相對應的值。
以下段落中，針對半導體薄膜2為多晶半導體的多晶矽之情況作為第一實施例進行說明。
具體而言，在本實施例中磁場感應器1可以形成如下所說明的結構。也就是說，如第1圖和第2圖所示，汲極3與源極4由金屬層形成，並經由接觸孔3A、4A連接於汲極區域21與源極區域22。在半導體薄膜2中，汲極區域21與源極區域22之間夾著通道區域20而形成。汲極區域21與源極區域22是高濃度的n型雜質區域。半導體薄膜2中的通道區域20是未摻雜有雜質的本質區或是僅摻雜微量雜質的低濃度n型或p型雜質區域。閘極5隔著閘極絕緣膜5A設置於通道區域20的上方。在部分實施例中，閘極5和閘極 絕緣膜5A亦可以設置於通道區域20的下方。在第1圖和第2圖所示的第一實施例中，由於閘極5設置於通道區域20的上方，因此，汲極區域21與源極區域22的高濃度雜質區域是藉由閘極5自動對準而形成。
第一霍爾電極6與第二霍爾電極7設置於半導體薄膜2之通道區域20的兩側(通道區域20的寬度W方向上的兩側)。第一霍爾電極6與第二霍爾電極7由金屬層形成，並經由接觸孔6A、7A連接於第一霍爾區域23與第二霍爾區域24。這些第一霍爾區域23與第二霍爾區域24是n型高濃度雜質區域，形成於半導體薄膜2由通道區域20的中間附近向通道區域20的寬度W方向上的兩側突出的部分上。在第1圖和第2圖所示的第一實施例中，該高濃度雜質區域藉由閘極5自動對準而形成。
磁場感應器1的兩個實驗樣品(樣品A、B)的霍爾電壓Vh(縱軸電壓)對閘極電壓Vgs(橫軸電壓)之相關性的測定結果係繪示於第3圖和第4圖中。通道區域20沒有特別經過摻雜雜質的程序，因此雜質的濃度較低，在每立方公分(1/cm3)1×1017以下。樣品A的通道區域20的長度L(汲極區域21與源極區域22之間的長度)為8000微米(μm)，寬度W為1000微米(μm)。對汲極3施加之汲極電壓設為5伏特(V)。第3圖中的特性曲線a、b、c、d、e及f為分別存在0特斯拉(T)、0.2特斯拉(T)、0.4特斯拉(T)、0.6特斯拉(T)、0.8特斯拉(T)及1.0特斯拉(T)磁場 時的樣品A的特性。樣品B的通道區域20的長度L為4000微米(μm)，寬度W為1000微米(μm)。對汲極3施加之汲極電壓設為10伏特(V)。第4圖中的特性曲線g、h、i、j、k及l分別為存在0特斯拉(T)、0.13特斯拉(T)、0.25特斯拉(T)、0.38特斯拉(T)、0.50特斯拉(T)及0.61特斯拉(T)磁場時的樣品B的特性。
由第3圖和第4圖可知，在由圖中的最低允許閘極電壓值V0所表示的電壓以上時，若磁場增加則霍爾電壓Vh幾乎呈線性增加，此時若閘極電壓Vgs較高，則靈敏度(霍爾電壓Vh相對於磁場變化之變化情況)也較高。
相對地，在第3圖和第4圖中之低電壓範圍R0(0伏特~約7伏特)內，會產生與磁場無關且不穩定地變化之霍爾電壓Vh。也就是說，根據第3圖，若閘極電壓Vgs自約4伏特增加至約5伏特，則霍爾電壓Vh會與磁場無關地急劇減少；而若閘極電壓Vgs自約5伏特增加至約7伏特，則霍爾電壓Vh會與磁場無關地急劇增加。另一方面，根據第4圖，若閘極電壓Vgs自約4伏特增加至約6伏特，則霍爾電壓Vh會與磁場無關地急劇增加；而若閘極電壓Vgs自約6伏特增加至約7伏特，則霍爾電壓Vh會與磁場無關地急劇減少。
針對在第3圖和第4圖中的低電壓範圍R0內，霍爾電壓Vh進行與磁場無關的不穩定變化的機制，可進行以下的說明。當半導體薄膜2為多晶半導體時，晶粒邊界存在位 能障(potential barrier)，在低電壓範圍R0內，位能障較高，電流沿著如第5圖所示的曲折路徑Pl、Pm及Pu流通。結果導致第一霍爾區域23與第二霍爾區域24之間的對稱性被打破，在第一霍爾電極6與第二霍爾電極7之間會產生任意極性的霍爾電壓Vh。舉例來說，如第6圖(橫軸為位置，縱軸為電壓)所示，在電流沿著曲折路徑Pl流通而產生第一霍爾區域23附近的電壓與電流沿著曲折路徑Pu流通而產生第二霍爾區域24附近的電壓，兩者之間產生電壓差時將被測定為霍爾電壓Vh。因此，在低電壓範圍R0內的霍爾電壓Vh與磁場無關。此外，由於每個樣品的晶粒邊界的位置都不同，因此，每個樣品的霍爾電壓Vh的值和極性等也不盡相同。由於這是與晶粒邊界相關的現象，因此是半導體薄膜2特有的現象，在單晶半導體中不存在。若閘極電壓Vgs比低電壓範圍R0大，則位能障將會降低，電流相對直線性地流動，正確地根據磁場而定。
因此，在半導體薄膜2為多晶矽時的例子中，可將磁場增加時霍爾電壓Vh開始幾乎呈線性增加時，圖中的V0表示的電壓設為最低允許閘極電壓值V0，低於最低允許閘極電壓值V0之低電壓範圍R0(約0伏特~約7伏特)不可用，而將其設為不可施加之電壓範圍。此外，可知道藉由對閘極5施加最低允許閘極電壓值V0以上的閘極電壓Vgs，並使閘極電壓Vgs增減，便能調整並適當地控制靈敏度(霍爾電壓Vh相對於磁場變化之變化情況)。
為了具體決定最低允許閘極電壓值V0，可使用如第3圖和第4圖所示的霍爾電壓Vh對閘極電壓Vgs之關係的特性曲線，來選擇合適的值，但亦可以如下所述，使用汲極電流Ids對閘極電壓Vgs之關係特性曲線。第7圖所示的特性曲線m是樣品A的汲極電流Ids(縱軸電流)對閘極電壓Vgs(橫軸電壓)之關係特性曲線。對汲極3施加之汲極電壓設為5伏特。汲極電流Ids由於在閘極電壓Vgs較高的位置處顯示出線性(近似為一次函數的)的關係，因此將其對低電壓側進行外插，並求出外插的直線m’上的汲極電流Ids為零時的電壓(與橫軸截距的電壓)，由此可決定最低允許閘極電壓值V0。在本實施例第7圖所示的特性曲線m中，如此決定的最低允許閘極電壓值V0約為7.3伏特。
接著，針對半導體薄膜2為非晶半導體中的非晶相銦鎵鋅氧化物(a-IGZO)的情況作為第二實施例，進行說明。非晶相銦鎵鋅氧化物是由銦(In)、鎵(Ga)、鋅(Zn)及氧元素所構成的非晶半導體。
具體而言，在本實施例中磁場感應器1可形成如下所說明的結構。如第8圖所示，汲極3與源極4由金屬層形成，且連接於半導體薄膜2(通道區域20)。半導體薄膜2(通道區域20)是n型低濃度雜質區域。閘極5隔著閘極絕緣膜5A設置於通道區域20的下方。雖然於此圖中省略，但第一霍爾電極6與第二霍爾電極7設置於相對於通道區域20與第1圖所示的位置相同的位置處。
磁場感應器1的實驗樣品(樣品C)的霍爾電壓Vh(縱軸電壓)對閘極電壓Vgs(橫軸電壓)之關係的測定結果係繪示於第9圖。樣品C的通道區域20的長度L(汲極3與源極4之間的長度)為4000微米(μm)，寬度W為1000微米(μm)。對汲極3施加之汲極電壓設為5伏特。第10圖所繪示的是第9圖中虛線框D所繪示之範圍的放大圖。第10圖中的特性曲線n、o、p及q是分別存在0特斯拉(T)、0.5特斯拉(T)、1.0特斯拉(T)及1.5特斯拉(T)磁場時的樣品C的特性。
由第10圖可知，在圖中的V0所表示的電壓以上時，若磁場增加則霍爾電壓Vh將幾乎呈線性增加，此時，若閘極電壓Vgs較高，則靈敏度(霍爾電壓Vh相對於磁場變化之變化情況)也較高。
相對地，在第10圖中(和第9圖中)之低電壓範圍R0(0伏特~約23伏特)內，產生與磁場無關且不穩定地變化之霍爾電壓Vh。也就是說，根據第9圖，若閘極電壓Vgs自0伏特增加至約13伏特，則霍爾電壓Vh與磁場無關地急劇增加；而若閘極電壓Vgs自約13伏特增加至約22伏特，則霍爾電壓Vh與磁場無關地急劇減少。
針對在第10圖中(和第9圖中)之低電壓範圍R0內，霍爾電壓Vh與磁場無關且不穩定地變化的機制可進行以下說明。當半導體薄膜2是非晶半導體時，半導體薄膜2不像多晶半導體般存在晶粒邊界，但由於為非晶狀態，因此 電流會以與前述的曲折路徑Pl、Pm及Pu相似的滲流(percolation)路徑來流動。結果導致第一霍爾電極6與第二霍爾電極7之間的對稱性被打破，產生任意極性的霍爾電壓Vh。該現象在單晶半導體中不存在，而是半導體薄膜2特有的現象。若閘極電壓Vgs比低電壓範圍R0大，則電流相對直線性地流動，正確地根據磁場而定。
因此，在半導體薄膜2為a-IGZO時的一例中，可將磁場增加時霍爾電壓Vh開始幾乎呈線性增加，圖中的V0所表示的電壓設為最低允許閘極電壓值V0，低於最低允許閘極電壓值V0之低電壓範圍R0(0伏特~約23伏特)不可用，而將其設為不可施加之電壓範圍。此外，可知藉由對閘極5施加最低允許閘極電壓值V0以上的閘極電壓Vgs，並使閘極電壓Vgs增減，可以調整並適當地控制靈敏度(霍爾電壓Vh相對於磁場變化之變化情況)。與上述的半導體薄膜2為多晶矽時的一例相同，亦可根據汲極電流Ids對閘極電壓Vgs之關係的特性曲線，來決定最低允許閘極電壓值V0。
如此一來，包含多晶半導體或非晶半導體之半導體薄膜2的磁場感應器1，藉由設置最低閘極電壓值V0，並將該最低閘極電壓值V0值以上的閘極電壓Vgs施加於閘極5，可適當控制靈敏度。磁場感應器1在與電路元件共同整合於基板1A上時，藉由設置合適的最低允許閘極電壓值V0，無論通道區域20是何種適合電路元件特性之雜質濃度，都可適當控制靈敏度。此外，微晶半導體通常具有與多晶半導體或 非晶半導體類似的性質，因此，半導體薄膜2亦可為微晶半導體(例如微晶矽等)。
以上所說明的磁場感應器1可用於各種機器。例如，可用於第11圖所示的二維磁場測量儀8。該二維磁場測量儀8，其多個磁性測量單元8A呈二維排列，且形成於樹脂基板或玻璃基板等基板1A上。各磁性測量單元8A包含電路元件8a、8b、8c之外，也包含磁場感應器1。該基板當前最大可將近有10平方公尺(m2)的基板，能夠用以測定大面積磁場。舉例來說，二維磁場測量儀8可經由對其進行直接控制的磁場測定控制器9等，被電腦等(此處並未繪示於圖中)控制。二維磁場測量儀8可用於如預防假幣般的安全用磁場圖像閱讀器、開發馬達所用磁性元件的磁場測定裝置、電子化的筆式輸入裝置、藉由感應異常磁場來發現內部導線斷裂等建築結構異常的異常磁場檢測感應器等等裝置。
雖然本案內容及磁場感應器已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本案內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本案內容之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，如在第一實施例和第二實施例中，可使n型更動為p型，並且使p型更動為n型。此時閘極電壓Vgs和汲極電壓為負電壓。最低允許閘極電壓值V0變為負值，值的大小關係為絕對值的大小關係。此外，如閘極5等的位置或形狀等亦可適當改變。因此本案內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧磁場感應器
2‧‧‧半導體薄膜
20‧‧‧通道區域
21‧‧‧汲極區域
22‧‧‧源極區域
23‧‧‧第一霍爾區域
24‧‧‧第二霍爾區域
3‧‧‧汲極
4‧‧‧源極
5‧‧‧閘極
6‧‧‧第一霍爾電極
7‧‧‧第二霍爾電極
3A‧‧‧接觸孔
4A‧‧‧接觸孔
6A‧‧‧接觸孔
7A‧‧‧接觸孔
S‧‧‧線
W‧‧‧寬度
L‧‧‧長度

Claims (8)

  1. 一種磁場感應器，包含一半導體薄膜、一汲極、一源極、一閘極、一第一霍爾電極，以及一第二霍爾電極，其中根據對該汲極施加之一汲極電壓和對該閘極施加之一閘極電壓，在該汲極與該源極之間會存在一汲極電流通過該半導體薄膜的一通道區域，在該第一霍爾電極與該第二霍爾電極之間會根據該汲極電流和該通道區域中存在的一磁場產生一霍爾電壓；其中對該閘極施加的該閘極電壓之值在一最低允許閘極電壓值之上，而不低於該最低允許閘極電壓值之低電壓範圍。
  2. 如請求項1所述之磁場感應器，其中該半導體薄膜為一多晶半導體。
  3. 如請求項2所述之磁場感應器，其中該多晶半導體為多晶矽。
  4. 如請求項1所述之磁場感應器，其中，該半導體薄膜為一非晶半導體。
  5. 如請求項4所述之磁場感應器，其中該非晶半導體為非晶相銦鎵鋅氧化物。
  6. 如請求項1所述之磁場感應器，其中該半導體薄膜為微晶半導體。
  7. 如請求項6所述之磁場感應器，其中該微晶半導體為微晶矽。
  8. 如請求項1~7中任一項所述之磁場感應器，其中，該最低允許閘極電壓值設為對汲極電流對閘極電壓之關係特性曲線進行外插後使該汲極電流為零之該閘極電壓。
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