TWI619280B - 感測元件 - Google Patents
感測元件 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI619280B TWI619280B TW103112159A TW103112159A TWI619280B TW I619280 B TWI619280 B TW I619280B TW 103112159 A TW103112159 A TW 103112159A TW 103112159 A TW103112159 A TW 103112159A TW I619280 B TWI619280 B TW I619280B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- sensing element
- electrode
- semiconductor layer
- conductive pattern
- opening
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 85
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 50
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 description 25
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 20
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 15
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 15
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000012447 hatching Effects 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
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N52/00—Hall-effect devices
- H10N52/101—Semiconductor Hall-effect devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- 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
- G01R33/07—Hall effect devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N52/00—Hall-effect devices
- H10N52/80—Constructional details
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
一種感測元件，其包括半導體層、第一電極與第二電極、第一偵測電極與第二偵測電極以及至少一導電圖案。第一電極與第二電極設置在半導體層之相對向的兩端。第一偵測電極與第二偵測電極設置在半導體層之相對向的另外兩端，其中第一偵測電極以及該第二偵測電極之間具有一虛擬連線。至少一導電圖案設置在半導體層上，其中導電圖案與虛擬連線不重疊。
Description
本發明是有關於一種感測元件，且特別是有關於一種改善霍爾效應的磁場感測元件。
霍爾效應(Hall Effect)是最廣泛被使用來偵測磁場等物理量的感測方法。當電流水平流經一置於垂直磁場作用下的元件時，在與電流方向與磁場方向垂直的元件兩端會產生一電壓差，且此電壓差的大小與磁場呈正比，此現象即為霍爾效應。效應中因磁場所生的電壓差稱為霍爾電壓(Hall Voltage)。除了感測磁場之外，霍爾效應還可應用於近接感知器、計數器、轉速器、電流感知等。
霍爾電壓與磁阻(magnetoresistance,MR)可說是霍爾效應中的一體兩面。霍爾元件在磁場的作用下，電流的路徑受磁場作用而偏移增加，進而造成其電阻值亦隨磁場強度而改變，故稱為磁阻。習知的磁阻元件結構形成近似串聯的結構，以有效提高磁阻對磁場的變化量。在低磁場環境下，由於金屬與半導體在導電
率上的差異，電流會集中流經金屬圖案而使阻值小。但在強磁場作用下，電流受勞倫茲力作用會使金屬圖案內的電流減少，造成流經半導體區的電流增加，因此使整體的阻值增加。
一般而言，磁阻元件對磁場的感度大於霍爾元件對磁場的感度。然而，磁阻元件卻無法有效地辨識磁場的方向，因此其應用局限於近接感知、計數器、轉速器等。相反地，霍爾元件雖可正確感測磁場方向與大小，但其感測的數值量級有限，並隨著元件尺寸的縮小而使感測數值量級更小，需額外配合放大電路等元件來提高訊號強度，但這又可能同時放大雜訊而面臨訊噪比(SN Ratio)的問題。為了同時滿足元件小型化並維持其磁感度，往往需抉擇於磁阻元件與霍爾元件之間。習知的霍爾元件或磁阻元件均由半導體材料組成，其效能依存於載子遷移率，而載子遷移率又依存於溫度，因此，習知的霍爾元件或磁阻元件對溫度的依存度高。有鑑於此，亟需一種兼具對磁場方向的感知能力以及對磁場強度的高感度，且其磁感特性的溫度依存度較小之感測元件。
本發明提供一種感測元件，兼具對磁場方向的感知能力以及對磁場強度的高感度，且此感測元件之磁感特性的溫度依存度較小。
本發明的感測元件，其包括半導體層、第一電極與第二電極、第一偵測電極與第二偵測電極以及至少一導電圖案。第一
電極與第二電極設置在半導體層之相對向的兩端。第一偵測電極與第二偵測電極設置在半導體層之相對向的另外兩端，其中第一偵測電極以及第二偵測電極之間具有虛擬連線。至少一導電圖案設置在半導體層上，其中導電圖案與虛擬連線不重疊。
基於上述，在本發明的感測元件中，藉由將導電圖案設置在半導體層中而可提供一金屬與半導體混合的作用層，相較於僅由半導體組成的感測元件而言，本發明的感測元件之磁感特性的溫度依存度較小。此外，透過導電圖案的不同形狀與相對於半導體層的不同分布密度，本發明的感測元件可兼具對磁場方向的感知能力以及對磁場強度的高感度。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、Q1、Q2‧‧‧感測元件
110‧‧‧基板
200、200a、200b、200c‧‧‧半導體層
220‧‧‧開口
300‧‧‧絕緣層
320‧‧‧第一開口
340a、340b‧‧‧接觸開口
400、400a、400b、400c、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400‧‧‧導電圖案
a、a’、b、b’、c、c’、d、d’、e、e’、f、f’、g、g’、h、h’、i、i’‧‧‧特性曲線
A-A’‧‧‧剖面線
E1、E2‧‧‧電極
Ed1、Ed2‧‧‧偵測電極
L‧‧‧虛擬連線
V1、V2、Vd1、Vd2‧‧‧電壓
X、Y‧‧‧方向
圖1是依照本發明之一實施例之感測元件的上視圖。
圖2是圖1之感測元件沿剖面線A-A’的局部剖面圖。
圖3是圖1之感測元件沿剖面線A-A’的另一局部剖面圖。
圖4是圖1之感測元件沿剖面線A-A’的又另一局部剖面圖。
圖5是圖1之感測元件沿剖面線A-A’的再另一局部剖面圖。
圖6是依照本發明之另一實施例之感測元件的上視圖。
圖7是依照本發明之另一實施例之感測元件的上視圖。
圖8是依照本發明之又另一實施例之感測元件的上視圖。
圖9是依照本發明之再另一實施例之感測元件的上視圖。
圖10是依照本發明之另一實施例之感測元件的上視圖。
圖11是依照本發明之又另一實施例之感測元件的上視圖。
圖12是依照本發明之再另一實施例之感測元件的上視圖。
圖13是依照本發明之又再另一實施例之感測元件的上視圖。
圖14是依照本發明之更另一實施例之感測元件的上視圖。
圖15是依照一比較例之感測元件的上視圖。
圖16是依照另一比較例之感測元件的上視圖。
圖17是依照本發明一些實施例之感測元件與比較例之感測元件的磁阻變化率隨磁場變化的特性曲線圖。
圖18是依照本發明一些實施例之感測元件與比較例之感測元件的霍爾電壓隨磁場變化的特性曲線圖。
圖19是依照本發明另一些實施例之感測元件與比較例之感測元件的磁阻變化率隨磁場變化的特性曲線圖。
圖20是依照本發明另一些實施例之感測元件與比較例之感測元件的霍爾電壓隨磁場變化的特性曲線圖。
圖1是依照本發明之一實施例之感測元件的上視圖。圖2是圖1之感測元件沿剖面線A-A’的局部剖面圖。請同時參照圖1與圖2，在本實施例中，感測元件10包括基板110、半導體層200、
第一電極E1與第二電極E2、第一偵測電極Ed1與第二偵測電極Ed2以及至少一導電圖案400。根據一實施例，感測元件10還包括絕緣層300。為方便說明，圖1省略繪示絕緣層300。
基板110可為任何絕緣材料，其例如是玻璃或具有絕緣層的矽基板等。
半導體層200位於基板110上，其可由一般半導體所構成，例如為InSb、InAs、GaAs、AlInSb、AlInAs、Si、InGaZnO或是其他合適的半導體材料。半導體層200具有開口220，以暴露出基板110。
絕緣層300設置於半導體層200上。絕緣層300可為Si3N4、Al2O3或是其他合適的半導體材料。絕緣層300具有第一開口320以及接觸開口340a、340b。第一開口320暴露出半導體層200之開口220，而接觸開口340a、340b暴露出半導體層200。
第一電極E1與第二電極E2設置在半導體層200上，且設置在半導體層200之相對向的兩端。具體而言，第一電極E1與第二電極E2在X方向上相對。第一電極E1與第二電極E2的材質包括金屬或是其他合適的電極材料。第一電極E1與第二電極E2則分別透過接觸開口340a與半導體層200接觸。於對感測元件10進行操作時，第一電極E1與第二電極E2分別被施予電壓V1與V2。
在本實施例中，第一偵測電極Ed1與第二偵測電極Ed2設置在半導體層200上且位於半導體層200之相對向的另外兩
端。具體而言，第一偵測電極Ed1與第二偵測電極Ed2在Y方向上相對。第一偵測電極Ed1與第二偵測電極Ed2的材質包括金屬或是其他合適的電極材料，其可以與第一電極E1與第二電極E2的材料相同或是不相同。第一偵測電極Ed1與第二偵測電極Ed2分別透過對應的接觸開口340b與半導體層200接觸。當於對感測元件10進行操作時，第一偵測電極Ed1與第二偵測電極Ed2分別電性連接至電壓Vd1與Vd2。如圖1所示，虛擬連線L穿過第一偵測電極Ed1與第二偵測電極Ed2，且第一電極E1與第二電極E2相對於虛擬連線L彼此對稱設置。值得一提的是，藉由將第一偵測電極Ed1與第二偵測電極Ed2設置於中心位置，可使感測元件10之霍爾電壓較大且相對穩定，然本發明不限於此。
導電圖案400設置於半導體層200上。導電圖案400之材質為非磁性導電材料，其包括例如Au、Cu、Ag、Ti、Al、Mo或其合金等金屬。或者，導電圖案400亦可由兼具半導體與金屬特性的奈米碳材所構成，其例如為奈米碳管、石墨烯(graphene)等，但本發明不限於此。導電圖案400的材料可以與第一電極E1與第二電極E2以及第一偵測電極Ed1與第二偵測電極Ed2相同或是不相同。導電圖案400透過絕緣層300的第一開口320填入半導體層200的開口220中，以與半導體層200接觸。換言之，導電圖案400嵌入(embedded in)半導體層200中。
值得一提的是，導電圖案400所設置的位置與第一偵測電極Ed1與第二偵測電極Ed2之間的虛擬連線L不重疊。在本實
施例中，導電圖案400為單一圓形形狀，但本發明不限於此，導電圖案400亦可以為多個任意形狀，其例如為矩形、橢圓形、正方形等。
在本實施例中，導電圖案400是嵌入半導體層200中。然本發明不限於此，在其他的實施例中，導電圖案400還可以以其他方式設置。以下分別以圖3至圖5來說明導電圖案400的設置方式。
圖3是圖1之感測元件沿剖面線A-A’的另一局部剖面圖。圖3之實施例與圖2之實施例相似，因此相同的元件以相同的符號表示，且不再重複說明。如圖3所示，半導體層200a可不具有開口。同樣地，覆蓋於半導體層200a上的絕緣層300可具有第一開口320以及接觸開口340a。第一開口320與接觸開口340a皆暴露出半導體層200a。導電圖案400a填入絕緣層300的第一開口中，以與半導體層200接觸。換言之，導電圖案400a堆疊於半導體層200a上。請同時參照圖1與圖3，第一偵測電極Ed1與第二偵測電極Ed2、第一電極E1與第二電極E2分別透過接觸開口340b、340a與半導體層200a接觸。
圖4是圖1之感測元件沿剖面線A-A’的又另一局部剖面圖。如圖4所示，半導體層200b可不具有開口，且同樣地，覆蓋於半導體層200b上的絕緣層300可具有第一開口320以及接觸開口340a。第一開口320與接觸開口340a皆暴露出半導體層200b。特別的是，在導電圖案400b是金屬的情況下，可藉由退火(anneal)
處理，使導電圖案400b的金屬離子透過絕緣層300的第一開口320擴散入半導體層200b中。換言之，可使導電圖案400b摻雜於(doped into)半導體層200b中。請同時參照圖1與圖4，第一偵測電極Ed1與第二偵測電極Ed2、第一電極E1與第二電極E2分別透過接觸開口340b、340a與半導體層200a接觸。
圖5是圖1之感測元件沿剖面線A-A’的再另一局部剖面圖。如圖5所示，導電圖案400c更可直接位於基板110上，而半導體層200c可覆蓋於導電圖案400c上。絕緣層300a覆蓋於半導體層200c上，特別的是，絕緣層300a可僅具有接觸開口340a。請同時參照圖1與圖5，第一偵測電極Ed1與第二偵測電極Ed2、第一電極E1與第二電極E2分別透過接觸開口340b、340a與半導體層200c接觸。
圖6是依照本發明之另一實施例之感測元件20的上視圖。請參照圖6，圖6的實施例與圖1的實施例相似，因此相同或相似的元件以相同或相似的元件符號標示，且不再重複說明。圖6的感測元件20與圖1的感測元件10之差異在於，圖6的感測元件20包括多個導電圖案500。在本實施例中，導電圖案500是由多個面積相同的圓形圖案所構成，然本發明不限於此，導電圖案500也可由多個面積不相同的圓形圖案所構成。多個導電圖案500的總面積可以與導電圖案400的面積相同，然本發明不限於此。此外，如圖6所示，導電圖案500排列成矩陣狀而均勻分布於第一偵測電極Ed1與第二偵測電極Ed2以及第一電極E1與第二電極
E2之間。同樣地，導電圖案500不與虛擬連線L重疊。
圖7是依照本發明之另一實施例之感測元件30的上視圖。請參照圖7，圖7的實施例與圖1的實施例相似，因此相同或相似的元件以相同或相似的元件符號標示，且不再重複說明。圖7的感測元件30與圖1的感測元件10之差異在於，感測元件30包括多個導電圖案600。多個導電圖案600的總面積可以與導電圖案400的面積相同，然本發明不限於此。此外，導電圖案600的數目例如是與導電圖案500的數目相同。特別的是，圖7的導電圖案600是以虛擬連線L為對稱軸，且導電圖案600之分布密度往第一電極E1與第二電極E2的方向逐漸增加而呈金字塔狀排列。換言之，導電圖案600的單位面積密度從虛擬連線L往第一電極E1與第二電極E2逐漸增加。同樣地，導電圖案600不與虛擬連線L重疊。在本實施例中，導電圖案600是由多個面積相同的圓形圖案所構成，然本發明不限於此，以下以圖8的實施例來作說明。
圖8是依照本發明之又另一實施例之感測元件40的上視圖。請參照圖8，圖8的實施例與圖1的實施例相似，因此相同或相似的元件以相同或相似的元件符號標示，且不再重複說明。圖8的感測元件40與圖1的感測元件10之差異在於，感測元件40包括多個導電圖案700。多個導電圖案700的總面積可以與導電圖案400的面積相同，然本發明不限於此。同樣地，導電圖案700不與虛擬連線L重疊。此外，導電圖案700的數目例如是與導電圖案500的數目相同。與圖7的導電圖案600類似，圖8的導電圖案
700是以虛擬連線L為對稱軸，且導電圖案700之分布密度往第一電極E1與第二電極E2的方向逐漸增加而呈金字塔狀排列。值得一提的是，導電圖案700是由多個面積不相同的圓形圖案所構成，且導電圖案700的面積由虛擬連線L往第一電極E1與第二電極E2的方向逐漸增加。換言之，導電圖案700的單位面積密度從虛擬連線L往第一電極E1與第二電極E2逐漸增加。
圖9是依照本發明之再另一實施例之感測元件50的上視圖。請參照圖9，圖9的實施例與圖1的實施例相似，因此相同或相似的元件以相同或相似的元件符號標示，且不再重複說明。圖9的感測元件50與圖1的感測元件10之差異在於，圖9的感測元件50包括多個導電圖案800。在本實施例中，導電圖案800是由多個面積相同的圓形圖案所構成，然本發明不限於此。多個導電圖案800的總面積可以與導電圖案400的面積相同，然本發明不限於此。此外，導電圖案800的數目例如是與導電圖案500的數目相同。特別的是，圖9的導電圖案800是以虛擬連線L為對稱軸，其分布密度往第一電極E1與第二電極E2的方向逐漸增加且呈不規則狀排列。換言之，導電圖案800的單位面積密度從虛擬連線L往第一電極E1與第二電極E2逐漸增加。同樣地，導電圖案800不與虛擬連線L重疊。
接著，請同時參照圖10至圖12，圖10是依照本發明之另一實施例之感測元件60的上視圖。圖11是依照本發明之又另一實施例之感測元件70的上視圖。圖12是依照本發明之再另一
實施例之感測元件80的上視圖。圖10至圖12的實施例與圖1的實施例相似，因此相同或相似的元件以相同或相似的元件符號標示，且不再重複說明。圖10至圖12的感測元件60、70、80與圖1的感測元件10之差異在於，圖10至圖12的感測元件60、70、80分別包括多個導電圖案900、1000、1100，且導電圖案900、1000、1100是由多個面積相同的長條矩形圖案所構成，然本發明不限於此。值得一提的是，導電圖案900、1000、1100皆分別平行且對稱於虛擬連線L呈等間隔排列狀。圖10至圖12的實施例之間的差異在於導電圖案的分布密度。具體而言，導電圖案900的分布密度最小，而導電圖案1100的分布密度最大。同樣地，導電圖案900、1000、1100皆不與虛擬連線L重疊。
再來，請參照圖13，圖13是依照本發明之又再另一實施例之感測元件90的上視圖。圖13的實施例與圖1的實施例相似，因此相同或相似的元件以相同或相似的元件符號標示，且不再重複說明。圖13的感測元件90與圖1的感測元件10之差異在於，圖13的感測元件90包括多個導電圖案1200。在本實施例中，導電圖案1200是由多個面積相同的長條矩形圖案所構成，然本發明不限於此。特別地，導電圖案1200為平行且對稱於虛擬連線L呈非等間隔排列狀。更具體而言，導電圖案1200的單位面積密度是由虛擬連線L往第一電極E1與第二電極E2逐漸增加。同樣地，導電圖案1100不與虛擬連線L重疊。
最後，請參照圖14，圖14是依照本發明之更另一實施例
之感測元件100的上視圖。圖14的實施例與圖1的實施例相似，因此相同或相似的元件以相同或相似的元件符號標示，且不再重複說明。圖14的感測元件100與圖1的感測元件10之差異在於，圖14的感測元件100包括多個導電圖案1300。特別地，導電圖案1300是由多個面積不同的長條矩形圖案所構成，且導電圖案1300的面積以虛擬連線L為對稱軸而往第一電極E1與第二電極E2的方向逐漸增加。換言之，導電圖案1300的單位面積密度從虛擬連線L往第一電極E1與第二電極E2逐漸增加。同樣地，導電圖案1300不與虛擬連線L重疊。
以下將分別量測本發明上述實施例的感測元件之磁阻效應(magnetoresistance,MR)以及霍爾電壓(Hall voltage)，並與比較例之感測元件Q1、Q2(參照圖15、圖16)作比較，來驗證本發明的感測元件對磁場方向的感知能力以及其磁感度。
圖15是依照一比較例之感測元件Q1的上視圖。圖16是依照另一比較例之感測元件Q2的上視圖。請參照圖15、圖16，圖15、圖16的比較例與圖1的實施例相似，因此相同或相似的元件以相同或相似的元件符號標示，且不再重複說明。如圖15所示，在比較例之感測元件Q1中，其半導體層200未設置有導電圖案。接著，參照圖16，另一比較例之感測元件Q2的導電圖案1400為與導電圖案400(請再參照圖1)相同面積的一圓形圖案，唯一不同在於導電圖案1400與虛擬連線L重疊。
圖17是依照本發明一些實施例之感測元件與比較例之感
測元件的磁阻變化率隨磁場變化的特性曲線圖。請參照圖17。縱軸表示磁阻變化率(magnetoresistance ratio,MR ratio)(%)，橫軸表示垂直通過元件的磁場強度(以下均以磁場(Bz)表示)(T)。特性曲線a、b分別是不同比較例之感測元件Q1、Q2(參照圖15、圖16)的結果。特性曲線c、d、e分別為本發明不同實施例之感測元件10、30、20(請分別再參照圖1、圖7、圖6)的結果。磁阻變化率愈高，表示感測元件對磁場變化的感測愈靈敏。如圖17所示，當磁場為2T時，完全由半導體組成的感測元件Q1(特性曲線a)之磁阻變化率為0.90%，而具有導電圖案的感測元件(特性曲線b、c、d、e)之磁阻變化率皆大於0.90%，其分別為2.09%、1.98%、2.45%以及3.19%。此外，由結果可知，相較於一個大面積的導電圖案，多個小面積的導電圖案可使感測元件的磁阻效應更為提升，其中又以導電圖案為規則矩陣狀排列的感測元件20之磁阻變化率最大，其磁阻變化率約為完全由半導體組成的感測元件Q1之磁阻變化率的3.5倍。
圖18是依照本發明一些實施例之感測元件與比較例之感測元件的霍爾電壓隨磁場變化的特性曲線圖。請參照圖18，縱軸表示霍爾電壓(V)，橫軸表示磁場(Bz)(T)。同樣地，特性曲線a’、b’分別是不同比較例之感測元件Q1、Q2(參照圖15、圖16)的結果。特性曲線c’、d’、e’分別為本發明不同實施例之感測元件10、30、20(請分別再參照圖1、圖7、圖6)的結果。霍爾電壓愈高，表示感測元件對磁場方向的感知能力愈好。如圖18所示，當磁場為2T
時，完全由半導體組成的感測元件Q1(特性曲線a’)之霍爾電壓為1.28V，而具有導電圖案的感測元件(特性曲線b’、c’、d’、e’)之霍爾電壓分別為0.06V、0.83V、1.55V以及0.95V。由上述結果可知，具有導電圖案的感測元件之霍爾電壓大部分都小於完全由半導體組成的感測元件Q1之霍爾電壓。導電圖案與虛擬連線L重疊(特性曲線b’)的感測元件Q2之霍爾電壓最小，其是因為虛擬連線L穿過由金屬所構成的導電圖案，從而使得由磁場引致第一偵測電極Ed1與第二偵測電極Ed2之間的霍爾電壓分布受到導電圖案內等壓化的影響，進而造成霍爾電壓損失較多。與磁阻變化率相似，多個小面積的導電圖案亦可改善感測元件的霍爾電壓。值得一提的是，導電圖案呈金字塔狀排列的感測元件30之霍爾電壓甚至超過完全由半導體組成的感測元件Q1之霍爾電壓，此結果說明可透過適當的導電圖案分布來提升霍爾電壓，進而增加感測元件對磁場方向的感知能力。
圖19是依照本發明另一些實施例之感測元件與比較例之感測元件的磁阻變化率隨磁場變化的特性曲線圖。請參照圖18，縱軸表示磁阻變化率(MR ratio)(%)，橫軸表示磁場(Bz)(T)。特性曲線a是比較例之感測元件Q1(參照圖15)的結果。特性曲線f、g、h、i分別為本發明不同實施例之感測元件60、70、80、100(請分別再參照圖10、圖11、圖12、圖14)的結果。同樣地，磁阻變化率愈高，表示感測元件對磁場變化的感測愈靈敏。如圖19所示，當磁場為2T時，完全由半導體組成的感測元件Q1(特性曲線a)之
磁阻變化率為0.90%，而具有導電圖案的感測元件(特性曲線f、g、h、i)之磁阻變化率皆大於0.90%，其分別為2.35%、3.86%、4.73%以及5.03%。由上述結果可知，藉由以長條矩形金屬所構成的導電圖案將半導體層切割成多個區域，可使感測元件之磁阻效應提升。此外，隨著導電圖案密度的增加，亦可更為提升感測元件之磁阻變化率。具體而言，導電圖案之單位面積密度最大的感測元件100(特性曲線i)之磁阻變化率最大，其約為完全由半導體組成的感測元件Q1之磁阻變化率的5.6倍。
圖20是依照本發明另一些實施例之感測元件與比較例之感測元件的霍爾電壓隨磁場變化的特性曲線圖。請參照圖20。縱軸表示霍爾電壓(V)，橫軸表示磁場(Bz)(T)。同樣地，特性曲線a’是比較例之感測元件Q1(參照圖15)的結果。特性曲線f’、g’、h’、i’分別為本發明不同實施例之感測元件60、70、80、100(請分別再參照圖10、圖11、圖12、圖14)的結果。同樣地，霍爾電壓愈高，表示感測元件對磁場方向的感知能力愈好。如圖20所示，當磁場為2T時，完全由半導體組成的感測元件Q1(特性曲線a’)之霍爾電壓為1.28V，而具有導電圖案的感測元件(特性曲線f’、g’、h’、i’)之霍爾電壓分別為1.03V、0.73V、0.55V以及1.63V。由上述結果可知，當由金屬所構成的導電圖案為等間隔分布於半導體層時，導電圖案會使其圖案內的電壓等位化，從而造成霍爾電壓下降，並且，霍爾電壓可隨著構成導電圖案的長條金屬圖案之密度增加而降低。因此，上述感測元件60、70、80之霍爾電壓小於完全由
半導體組成的感測元件Q1之霍爾電壓。較特別的是，由多個面積不同的長條矩形金屬所構成且其面積以虛擬連線L為對稱軸而往第一電極E1與第二電極E2的方向逐漸增加之感測元件100的霍爾電壓超過完全由半導體組成的感測元件Q1之霍爾電壓，此結果說明可透過適當的導電圖案分布來提升霍爾電壓，進而增加感測元件對磁場方向的感知能力。
應注意，一般而言，感測元件的霍爾電壓特性與磁阻特性互為消長，因此，除了如圖14所示等特別的導電圖案分布之外，要使感測元件同時兼具高霍爾電壓特性與高磁阻特性，實屬不易。然而，相對於霍爾電壓而言，磁阻對磁場變化的感度通常較大。因此，只要使感測元件的霍爾電壓足以使感測元件判定磁場的方向，在感測元件的設計上，本發明著重於以實現最佳磁阻特性之表現為主要考量。基於上述考量，當磁場為2T時，根據本發明的較佳實施例之感測元件90(請再參照圖13)之磁阻變化率可達5.88%，而其霍爾電壓為0.66V，感測元件90可同時兼具對磁場方向的感知能力以及對磁場強度的高感度。
綜上所述，在本發明的感測元件中，藉由將導電圖案設置於半導體層上而可提供金屬與半導體混合的作用層，因此，相較於僅由半導體組成的感測元件而言，本發明的感測元件之磁感特性的溫度依存度較小。此外，透過導電圖案之不同形狀與不同分布密度，本發明的感測元件可兼具對磁場方向的感知能力以及對磁場強度的高感度。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧感測元件
200‧‧‧半導體層
340a、340b‧‧‧接觸開口
400‧‧‧導電圖案
A-A’‧‧‧線
E1、E2‧‧‧電極
Ed1、Ed2‧‧‧偵測電極
L‧‧‧虛擬連線
V1、V2、Vd1、Vd2‧‧‧電壓
X、Y‧‧‧方向
Claims (11)
- 一種感測元件，包括：一基板；一半導體層，位於該基板上；一第一電極以及一第二電極，設置在該半導體層之相對向的兩端；一第一偵測電極以及一第二偵測電極，設置在該半導體層之相對向的另外兩端，其中該第一偵測電極以及該第二偵測電極之間具有一虛擬連線；至少一導電圖案，設置在該基板上，其中該導電圖案與該虛擬連線不重疊；以及一絕緣層，配置於該半導體層上，具有多個接觸開口，且該些接觸開口暴露出該半導體層，其中該第一電極、該第二電極、該第一偵測電極以及該第二偵測電極分別透過該些接觸開口以與該半導體層接觸。
- 如申請專利範圍第1項所述的感測元件，其中該至少一導電圖案為多個導電圖案，且該些導電圖案皆不與該虛擬連線重疊。
- 如申請專利範圍第2項所述的感測元件，其中該些導電圖案均勻分佈在該第一電極以及該第二電極之間。
- 如申請專利範圍第2項所述的感測元件，其中該些導電圖案的面積皆相同。
- 如申請專利範圍第2項所述的感測元件，其中該些導電圖 案的面積由該虛擬連線往該第一電極以及該第二電極逐漸增加。
- 如申請專利範圍第2項所述的感測元件，其中該些導電圖案的單位面積密度由該虛擬連線往該第一電極以及該第二電極逐漸增加。
- 如申請專利範圍第1項所述的感測元件，其中該半導體層具有至少一開口，且該至少一導電圖案填入該開口內，以與該半導體層接觸。
- 如申請專利範圍第7項所述的感測元件，其中該絕緣層具有至少一第一開口，暴露出該至少一開口，其中該至少一導電圖案透過該開口以及該第一開口，以與該半導體層接觸。
- 如申請專利範圍第1項所述的感測元件，其中該絕緣層覆蓋該半導體層，該絕緣層具有至少一第一開口以暴露出該半導體層，其中該至少一導電圖案填入該第一開口內，以與該半導體層接觸。
- 如申請專利範圍第1項所述的感測元件，其中該絕緣層覆蓋該半導體層，該絕緣層具有至少一第一開口以暴露出該半導體層，其中該至少一導電圖案透過該第一開口以摻雜於該半導體層中。
- 如申請專利範圍第1項所述的感測元件，其中該半導體層覆蓋該至少一導電圖案。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW103112159A TWI619280B (zh) | 2014-04-01 | 2014-04-01 | 感測元件 |
| CN201410215097.8A CN103956427B (zh) | 2014-04-01 | 2014-05-21 | 感测元件 |
| US14/631,865 US9590172B2 (en) | 2014-04-01 | 2015-02-26 | Sensing device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW103112159A TWI619280B (zh) | 2014-04-01 | 2014-04-01 | 感測元件 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201539813A TW201539813A (zh) | 2015-10-16 |
| TWI619280B true TWI619280B (zh) | 2018-03-21 |
Family
ID=51333676
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW103112159A TWI619280B (zh) | 2014-04-01 | 2014-04-01 | 感測元件 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9590172B2 (zh) |
| CN (1) | CN103956427B (zh) |
| TW (1) | TWI619280B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI619280B (zh) * | 2014-04-01 | 2018-03-21 | 友達光電股份有限公司 | 感測元件 |
| JP6488202B2 (ja) * | 2015-06-30 | 2019-03-20 | 学校法人 龍谷大学 | 磁気抵抗素子及び電子デバイス |
| TWI844838B (zh) * | 2021-09-03 | 2024-06-11 | 群創光電股份有限公司 | 感測裝置以及感測裝置的製作方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW393567B (en) * | 1998-08-07 | 2000-06-11 | Asahi Chemical Ind | Magnetic sensor and its manufacturing method |
| TW201133015A (en) * | 2009-08-26 | 2011-10-01 | Panasonic Elec Works Co Ltd | Magnetic field sensor, and magnetic field measuring method, power measuring appratus and power measuring method using the sensor |
Family Cites Families (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3448353A (en) * | 1966-11-14 | 1969-06-03 | Westinghouse Electric Corp | Mos field effect transistor hall effect devices |
| US3789311A (en) * | 1971-09-13 | 1974-01-29 | Denki Onkyo Co Ltd | Hall effect device |
| US3800193A (en) * | 1972-09-05 | 1974-03-26 | Ibm | Magnetic sensing device |
| US4204132A (en) * | 1976-08-11 | 1980-05-20 | Agency Of Industrial Science & Technology, Ministry Of International Trade & Industry | Highly sensitive Hall element |
| JPS5426369U (zh) * | 1977-07-25 | 1979-02-21 | ||
| JPS5475284A (en) * | 1977-11-29 | 1979-06-15 | Asahi Chemical Ind | Threeeterminal magnetic reluctance effect element |
| US4296424A (en) * | 1978-03-27 | 1981-10-20 | Asahi Kasei Kogyo Kabushiki Kaisha | Compound semiconductor device having a semiconductor-converted conductive region |
| JPS55132066A (en) * | 1979-04-02 | 1980-10-14 | Matsushita Electronics Corp | Hall effect semiconductor integrated circuit |
| JPH0644644B2 (ja) | 1987-09-08 | 1994-06-08 | 住友持殊金属株式会社 | 半導体磁気抵抗素子の製造方法 |
| JP2571296B2 (ja) * | 1990-04-04 | 1997-01-16 | 旭化成工業株式会社 | 高信頼性高感度ＩｎＡｓホール素子 |
| US5208477A (en) * | 1990-12-31 | 1993-05-04 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Resistive gate magnetic field sensor |
| US5543988A (en) * | 1993-04-30 | 1996-08-06 | International Business Machines Corporation | Hall sensor with high spatial resolution in two directions concurrently |
| JP3602611B2 (ja) | 1995-03-30 | 2004-12-15 | 株式会社東芝 | 横型ホール素子 |
| JPH11340541A (ja) | 1998-05-28 | 1999-12-10 | Nippon Seiki Kk | 半導体磁気抵抗素子及びその製造方法 |
| JP2005333103A (ja) * | 2004-03-30 | 2005-12-02 | Denso Corp | 縦型ホール素子およびその製造方法 |
| US7723814B2 (en) * | 2005-12-27 | 2010-05-25 | Asahi Kasei Kabushiki Kaisha | InSb thin film magnetic sensor and fabrication method thereof |
| CN102460199B (zh) * | 2009-06-30 | 2014-01-08 | 旭化成微电子株式会社 | 磁传感器 |
| US9222991B2 (en) * | 2012-06-22 | 2015-12-29 | Infineon Technologies Ag | Vertical hall device comprising a slot in the hall effect region |
| TWI619280B (zh) * | 2014-04-01 | 2018-03-21 | 友達光電股份有限公司 | 感測元件 |
-
2014
- 2014-04-01 TW TW103112159A patent/TWI619280B/zh active
- 2014-05-21 CN CN201410215097.8A patent/CN103956427B/zh active Active
-
2015
- 2015-02-26 US US14/631,865 patent/US9590172B2/en active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW393567B (en) * | 1998-08-07 | 2000-06-11 | Asahi Chemical Ind | Magnetic sensor and its manufacturing method |
| TW201133015A (en) * | 2009-08-26 | 2011-10-01 | Panasonic Elec Works Co Ltd | Magnetic field sensor, and magnetic field measuring method, power measuring appratus and power measuring method using the sensor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103956427A (zh) | 2014-07-30 |
| US9590172B2 (en) | 2017-03-07 |
| TW201539813A (zh) | 2015-10-16 |
| CN103956427B (zh) | 2017-04-12 |
| US20150280109A1 (en) | 2015-10-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6474833B2 (ja) | モノリシック三軸リニア磁気センサ及びその製造方法 | |
| EP2827165B1 (en) | Magnetoresistance magnetic field gradient sensor | |
| US9766304B2 (en) | Integrated AMR magnetoresistor with a set/reset coil having a stretch positioned between a magnetoresistive strip and a concentrating region | |
| US9664754B2 (en) | Single chip push-pull bridge-type magnetic field sensor | |
| JP6247631B2 (ja) | 単一チップ参照フルブリッジ磁場センサ | |
| US8193897B2 (en) | Integrated lateral short circuit for a beneficial modification of current distribution structure for xMR magnetoresistive sensors | |
| US10094891B2 (en) | Integrated AMR magnetoresistor with large scale | |
| US9857434B2 (en) | Push-pull bridge-type magnetic sensor for high-intensity magnetic fields | |
| WO2015096744A1 (zh) | 一种用于高强度磁场的单芯片参考桥式磁传感器 | |
| WO2018006879A1 (zh) | 一种无需置位和复位装置的各向异性磁电阻电流传感器 | |
| JP3201754U (ja) | 磁気抵抗デバイス | |
| JP2019516094A (ja) | セット／リセットデバイスのない異方性磁気抵抗（ａｍｒ）センサ | |
| US11169225B2 (en) | TMR high-sensitivity single-chip push-pull bridge magnetic field sensor | |
| TWI619280B (zh) | 感測元件 | |
| US9121899B2 (en) | Semiconductor device | |
| KR100852182B1 (ko) | 자기장 영역의 음·양 접합 구조를 갖는 반도체-자성물질융합 소자 | |
| JP7207671B2 (ja) | 異常ホール効果を利用する磁気センサ、ホールセンサおよびホールセンサの製造方法 | |
| RU155241U1 (ru) | Модуль для измерения параметров магнитного поля | |
| RU156559U1 (ru) | Магниторезистивный преобразователь | |
| KR100852184B1 (ko) | 자기장 영역의 음·양 접합 구조를 갖는 반도체-자성물질융합 소자 | |
| KR100852183B1 (ko) | 자기장 영역의 음·양 접합 구조를 갖는 반도체-자성물질융합 소자 | |
| Krasyukov et al. | Investigation of magnetotransistors with new topology | |
| JP2009145228A (ja) | 薄膜磁気抵抗素子及び薄膜磁気センサ |