ПОЛЕВОЙ ДАТЧИК ХОЛЛА Российский патент 2010 года по МПК H01L29/82 H01L27/22 

Изобретение относится к области электронных датчиков магнитного поля и может быть использовано в измерительной технике, системах безопасности, автоматике, робототехнике.

Известны полевые датчики Холла (ПДХ), состоящие из кремниевого токопроводящего канала, из диэлектрического слоя на поверхности кремния, образующего гетерограницу с кремнием, электродов стока и истока к каналу и электрода затвора, расположенного на поверхности диэлектрического слоя (Galaher R., Corak W. A metal - oxide - semiconductor Hall element. Solid State Electronics, 1966, v.9, p.571-580). Боковые поверхности канала имеют два противолежащих омических контакта, между которыми при протекании электрического тока по каналу и при воздействии магнитного поля и возникает сигнал. Принципиальное достоинство ПДХ состоит в объединении в единой конструкции возможностей традиционного элемента Холла, регистрирующего магнитное воздействие, и полевого МДП (метал -диэлектрик - полупроводник) транзистора, усиливающего магнитоиндуцированный электрический сигнал.

Недостаток таких ПДХ заключается в недостаточно высокой рабочей температуре, обусловленной утечками тока из канала в подложку тем большими, чем выше температура. Вследствии этого процесса рабочая температура кремниевых ПДХ не превышает 150-170°С.

Известен принятый за прототип полевой датчик Холла, содержащий диэлектрическую подложку из сапфира с расположенным на ней кремниевым каналом, образующим дополнительную к вышеописанному ПДХ гетерограницу кремний-сапфир и имеющим два омических токоподводящих контакта на концах канала и два омических холловскими противолежащих контакта на боковых поверхностях канала. Причем внешняя поверхность канала покрыта слоем двуокиси кремния, на поверхности которой расположен электрод затвора (Jpri A Electrical properties of Silicon Films on Sapphire using the MOS Hall Technique. Joum. of Applied Physics, 1972, v.43, p.2270-2275). Диэлектрическая подложка препятствует утечкам тока из полупроводникового канала, благодаря чему рабочая температура ПДХ превышает 300°С.

Однако наличие двух гетерограниц на его поверхностях, содержащих высокую концентрацию дефектов, значительно уменьшает подвижность носителей тока в канале по сравнению с подвижностью в объемных монокристаллах кремния и, соответственно, пропорционально уменьшает чувствительность ПДХ к воздействию магнитных полей.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания ПДХ, обладающего высокой магниточувствительностью при повышенных рабочих температурах.

Техническим результатом решения этой задачи является создание высокочувствительного ПДХ с рабочей температурой до 500°С.

Поставленная задача достигается в ПДХ, содержащем диэлектрическую подложку с расположенным на ней полупроводниковым каналом, имеющим два омических токоподводящих контакта на концах канала и два омических холловских противолежащих контакта на боковых поверхностях канала, причем внешняя поверхность канала покрыта слоем диэлектрика, на поверхности которой расположен электрод затвора. Новизна предлагаемого ПДХ заключается в том, что диэлектрическая подложка и слой диэлектрика на поверхности канала выполнены из диэлектрического алмаза, а канал выполнен из полупроводникового алмаза.

В такой конструкции ПДХ используется уникальное свойство алмаза, который в зависимости от содержания легирующих примесей может быть как очень хорошим диэлектриком (удельное сопротивление до 10¹⁴ Ом*см), так и хорошим полупроводником (удельное сопротивление от 10^-1 Ом*см до 100 Ом*см). Предлагаемая трехслойная алмазная конструкция диэлектрик - полупроводник - диэлектрик образована гомогенными слоями, и границы раздела между слоями когерентны. Соответственно, такие границы свободны от дефектов структуры и не оказывают влияния на подвижность носителей тока в канале, и не уменьшают магниточувствительность ПДХ. В то же время существенно большее значение ширины запрещенной зоны алмаза по сравнению с кремнием определяет повышение абсолютного значения рабочей температуры.

На Фиг.1 представлено поперечное сечение заявляемого полевого датчика Холла.

На Фиг.2 представлен вид сверху заявляемого полевого датчика Холла.

На Фиг.3 представлена характерная зависимость величины ЭДС Холла (U_x - ось ординат) от потенциала на электродах заторов (U₃-ось абсцисс) при различных напряжениях питания (U_п).

Таблица иллюстрирует работоспособность ПДХ в широком диапазоне температур Т, измеренных в °С. В таблице U_x обозначает ЭДС Холла, измеренную в мB, U_п - напряжение питания в B, U₃ - потенциал заторов в B, В - индукцию магнитного поля в Тл).

Датчик состоит из подложки из диэлектрического алмаза 1 с расположенным на ней полупроводниковым каналом 2 из полупроводникового алмаза с омическими токоподводящими контактами 3 и 4, расположенными на концах канала 2. На боковых поверхностях канала 2 расположены два омическими холловскими контакта 5 и 6. Внешняя поверхность канала 2 покрыта слоем диэлектрика 7, на поверхности которой расположен электрод затвора 8.

ПДХ работает следующим образом. Внешний источник питания подсоединяется к омическим токоподводящим контактам 3 и 4, благодаря чему по полупроводниковому каналу 2, расположенному на подложке из диэлектрического алмаза 1, протекает электрический ток. Под воздействием магнитного поля между омическими контактами 5 и 6 возникает ЭДС, величина которой пропорциональна индукции магнитного поля, току через канала 2, зависящему от напряжения питания между омическими токоподводящими контактами 3 и 4, и потенциалу, приложенному между затвором 8, отделенного от полупроводникового канала 2 слоем диэлектрического алмаза 7, и любым из контактов 3 и 4, подсоединенным к другому источнику питания.

Приведенные примеры подтверждают, но не ограничивают, использование изобретения.

Были изготовлены образцы ПДХ на основе алмазной структурой диэлектрик - полупроводник - диэлектрик, выполненной, например, методом эпитаксиального осаждения слоев алмаза на алмазных подложках. В этой структуре удельное сопротивление диэлектрического алмаза составляет порядка 10¹² Ом*см, а полупроводникового алмаза 10-100 Ом*см. Толщина подложки диэлектрического алмаза составляет 300 мкм, толщина расположенного на подложке слоя полупроводникового алмаза - 5-10 мкм, толщина слоя диэлектрического алмаза - 0,2-0,5 мкм. Контактные области (3-6) и электрод затвора 8 формировались из золота стандартными процессами технологии микроэлектроники (фотолитография, ионное легирование, осаждение металлических пленок).

Фиг.3 иллюстрирует характерную зависимость ЭДС Холла U_x от потенциала затвора U₃ при двух различных напряжениях питания U_п (1 - U_п=9B, 2 - U_п=5B). Индукция магнитного поля, действовавшая на ПДХ в процессе измерений, составляла 1 Тл. В соответствии со стандартной практикой измерений полевых приборов в микроэлектронике максимальное значение U₃, используемое при измерениях, равнялась величине напряжения питания.

Таблица иллюстрирует работоспособность типичного ПДХ при различных температурах. В ней представлены значения ЭДС Холла U_x, измеренные в мВ, при различных значениях напряжения питания U_п и потенциале затворов U₃, которые измерялись в B, и различных температурах Т, изменявшейся в диапазоне от 20°С до 500°С. Величина магнитной индукции В, воздействовавшей на ПДХ, составляла 0,5 Тл или 1 Тл.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет создавать высокочувствительный ПДХ с рабочей температурой до 500°С.

  Полевой датчик Холла № Т, °С U_x(мВ) Условия измерения U_п(B) U₃(в) В(Тл) 1 20 210 5 5 1 2 100 185 5 5 1 3 300 155 5 5 1 4 500 130 5 5 1 5 20 340 9 9 1 6 500 230 9 9 1 7 20 105 5 5 0,5 8 500 65 5 5 0,5

Полевой датчик Холла (ПДХ) относится к области электронных датчиков магнитного поля и может быть использован в измерительной технике, системах безопасности, автоматике, робототехнике. ПДХ содержит диэлектрическую подложку с расположенным на ней полупроводниковым каналом, выполненным из полупроводникового алмаза и имеющим два омических токоподводящих контакта на концах канала и два омических холловских противолежащих контакта на боковых поверхностях канала, внешняя поверхность которого покрыта слоем диэлектрика, на поверхности которого расположен электрод затвора. Изобретение позволяет создать высокочувствительный ПДХ с рабочей температурой до 500°С. 3 ил., 1 табл.

Полевой датчик Холла, содержащий диэлектрическую подложку с расположенным на ней полупроводниковым каналом, имеющим два омических токоподводящих контакта на концах канала и два омических холловских противолежащих контакта на боковых поверхностях канала, причем внешняя поверхность канала покрыта слоем диэлектрика, на поверхности которой расположен электрод затвора, отличающийся тем, что диэлектрическая подложка и слой диэлектрика на поверхности канала выполнены из диэлектрического алмаза, а канал выполнен из полупроводникового алмаза.