МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДИОД С ВНУТРЕННИМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ Российский патент 2021 года по МПК H01L43/08 H01L43/10 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при разработке таких магниточувствительных устройств, как датчики магнитного поля, электрического тока, электромагнитного поля, источники возобновляемой энергии и др.

Основное применение магниточувствительных приборов заключается в создании на их основе устройств автоматики, медицинского оборудования, автомобильной электроники, навигации, геологии, систем безопасности и др.

Известен магнитоэлектрический (МЭ) эффект в двухфазных композитных материалах, состоящих из магнитострикционной и пьезоэлектрической компонент, и заключающийся в намагничивании материала при воздействии на него внешнего электрического поля и появлении электрической поляризации при воздействии внешнего магнитного поля [Бичурин М.И., Петров В.М., Филиппов Д.А., Srinivasan G., Nan C.W. Магнитоэлектрические материалы - М.: Академия Естествознания, 2006. - 296 с.]. Возможность взаимного преобразования магнитных и электрических полей делает такие композитные материалы перспективными для построения различных устройств функциональной электроники на их основе. Параметры таких устройств зависят от величины МЭ эффекта в композитном материале.

Известен гигантский МЭ эффект в области электромеханического резонанса (ЭМР) в двухфазных композитных материалах, состоящих из арсенида галлия и никеля, кобальта, метгласа [Лалетин В.М., Стогний А.И., Новицкий Н.Н., Поддубная Н.Н. Магнитоэлектрический эффект в структурах на основе металлизированных подложек арсенида галлия // Письма в ЖТФ. - 2014. - Т. 40. - Вып. 21. - С. 71-77; M.I. Bichurin, V.M. Petrov, V.S. Leontiev, S.N. Ivanov, O.V. Sokolov Magnetoelectric effect in layered structures of amorphous ferromagnetic alloy and gallium arsenide. JMMM 424, p. 115-117 (2017)].

Известны МЭ композиционные материалы с градиентом намагниченности магнитострикционной компоненты и градиентом поляризации сегнетоэлектрической компоненты [М.I. Bichurin and et. Magnetoelectric Effect in the Bidomain Lithium Niobate/Nickel/Metglas Gradient Structure, 2019, Physica Status Solidi (b) DOI: 10.1002/pssb.201900398; Бичурин M.И., Петров В.M., Семенов Г.А. Магнитоэлектрический материал для компонентов радиоэлектронных приборов // Патент №2363074 от 27.07.2009]. Наличие градиента намагниченности в таких материалах приводит к созданию внутреннего постоянного магнитного поля, что исключает необходимость во внешнем магнитном поле, обычно создаваемого внешними постоянными магнитами.

Известны магнитодиоды, представляющие собой полупроводниковые приборы с p-n переходом и омическим невыпрямляющим контактом, между которыми находится высокоомная область полупроводника [Стафеев В.И., Каракушан Э.И. Магнитодиоды. - М.: Наука, 1975. - 216 с.]. При помещении таких приборов во внешнее магнитное поле в них возникает магнито диодный эффект, проявляющийся в сильном изменении сопротивления базы диода и прямого тока вследствие резкого изменения концентрации неравновесных носителей под воздействием внешнего магнитного поля.

Известен вертикальный магнито диод, выполненный на полупроводниках с S-образной характеристикой [Магнитодиод: Авт.свид. СССР №1161831: МПК G01R 33/00 / М. Мирзабаев, К.Д. Потаенко, Ш.А. Хайруллаев и Г.М. Шишков; заявитель и патентообладатель ОКБ при ФТИ АН УзССР и ФТИ АН УзССР. - №3497847/24-21; заявл. 06.10.82; опубл. 15.06.85, Бюл. №22]. В таких магнитодиодах положительная обратная связь, ответственная за возникновение S-образной вольт-амперной характеристики, ослабевает за счет магнитодиодного эффекта.

Известен горизонтальный магнитодиод, выполненный на высокоомной полупроводниковой подложке в виде меза-структур с помощью диффузии, представляющий собой одновременно несколько магнитодиодов с различной длиной базы [Способ изготовления магнитодиода: Патент РФ №1161831: МПК H01L 21/18/ Баринов И.Н., Блинов А.В., Козин С.А.; заявитель и патентообладатель ФГУП "НИИ физических измерений" - №2005133015/28; заявл. 26.10.2005; опубл. 10.08.2007, Бюл. №22]. Такая конструкция позволяет проводить технологическую подгонку магнитодиодов по чувствительности, расширить динамический диапазон магниточувствительности, снизить себестоимость и повысить процент выхода годных приборов.

Недостатками известных магнитодиодов являются низкая магниточувствительность, необходимость больших магнитных полей и малый динамический диапазон.

Наиболее близким по техническому решению является арсенид-галлиевый МЭ диод, состоящий из горизонтально расположенных областей р, i и n - типа, сформированных в высокоомной полупроводниковой подложке, в котором в качестве высокоомной i-области используется композитная магнитострикционно-пьезополупроводниковая структура, образованная высокоомной областью подложки арсенида галлия (GaAs) и магнитострикционным слоем [Арсенид-галлиевый магнитоэлектрический диод: Патент РФ №195271: МПК H01L, 43/08 / Иванов С.Н., Бичурин М.И., Семенов Г.А.; ФГБОУ ВО НовГУ. - №2019138134; заявл. 25.11.2019; опубл. 21.01.2020, Бюл. №3] - прототип.

Недостаткам и прототипа являются необходимость внешнего магнитного поля, что усложняет конструкцию внешним постоянным магнитом, и высокая частота электромеханического резонанса из-за использования продольных колебаний.

Задачей изобретения является упрощение конструкции и снижение частоты электромеханического резонанса.

Для решения данной задачи предложен магнитоэлектрический диод с внутренним магнитным полем, состоящий из горизонтально расположенных областей р, i и n - типа, сформированных в высокоомной полупроводниковой подложке, в котором в качестве высокоомной i-области используется композитная магнитострикционно-пьезополупроводниковая структура с градиентом намагниченности, образованная высокоомной областью подложки GaAs и магнитострикционным слоем, состоящим из слоев метгласа и никеля.

Магнитоэлектрический диод с внутренним магнитным полем, состоит из горизонтально расположенных областей р, i и n - типа, сформированных в высокоомной полупроводниковой подложке. В качестве высокоомной i-области используется композитная магнитострикционно-пьезополупроводниковая структура с градиентом намагниченности, работающая в области изгибных колебаний электромеханического резонанса.

Для реализации МЭ диода с внутренним магнитным полем для управления сопротивлением базы диода вместо композитной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры, образованной высокоомной подложкой GaAs и магнитострикционным слоем предлагается использовать композиционную магнитострикционно-пьезополупроводниковую структуру с градиентом намагниченности на основе высокоомной подложки GaAs и магнитострикционного слоя, состоящего из метгласа и никеля. Наличие градиента намагниченности приводит к созданию внутреннего постоянного магнитного ноля, что позволяет исключить из конструкции внешний постоянный магнит. Использование изгибных колебаний в области электромеханического резонанса позволяет снизить рабочую частоту такого прибора по сравнению с продольными колебаниями. Предлагаемое решение позволяет получить следующий технический результат - упрощается конструкция и снижается резонансная частота.

Для пояснения предполагаемого решения предложен чертеж.

Фиг. 1 - Конструкция МЭ диода с внутренним магнитным полем.

Конструкция МЭ диода с внутренним магнитным полем состоит из подложки GaAs (содержащей высокоомную область 1, область р-типа 2 и область n-типа 3), омического контакта к области р-типа 4, омического контакта к области n-типа 5, и магнитострикционного слоя, состоящего из метгласа 6 и никеля 7. Высокоомная область подожки GaAs 1 и магнитострикционный слой, состоящий из метгласа 6 и никеля 7, образуют композитную магнитострикционно-пьезополупроводниковую структуру с градиентом намагниченности.

Изобретение работает следующим образом.

За счет внутреннего магнитного поля Н₀ магнитострикционный слой, состоящий из метгласа 6 и никеля 7, намагничивается до насыщения в направлении в соответствие с фиг. 1. Внешнее переменное модулирующее магнитное поле h(t), ориентированное в соответствие с фиг. 1, приводит к периодической механической деформации магнитострикционного слоя с частотой модуляции за счет магнитострикции. Благодаря механической связи, возникающие в магиитострикционном слое механические деформации передаются высокоомной области подложки GaAs 1. Модулированные механические деформации в высокоомной области подложки GaAs 1 приводят к возникновению ЭДС в результате пьезоэлектрического эффекта и к модуляции сопротивления базы и прямого тока диода за счет увеличения пути прохождения носителей заряда между областями р-типа 2 и n-типа 3. Модуляция базы диода приводит к изменению волы-амперной характеристики диода, измеряемой с помощью омических контактов 4 и 5. При совпадении частоты модулирующего магнитного поля с частотой изгибных колебаний электромеханического резонанса композитной магнитострикциоино-пьезополупроводниковой структуры с градиентом намагниченности, образованной высокоомной подложке GaAs 1 и магнитострикционным слоем, состоящим из метгласа 6 и никеля 7, будет наблюдаться увеличение чувствительности к магнитному полю МЭ диода с внутренним магнитным полем за счет резонансного МЭ эффекта. Для усиления МЭ эффекта необходимо совпадение направлений постоянного и переменного магнитных полей. Частота изгибных колебаний будет определяться размерами композитной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры МЭ диода с внутренним магнитным полем.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет упростить конструкцию и снизить резонансную частоту, что повысит компактность и чувствительность магнитоэлектрических датчиков магнитного поля, электрического тока, преобразователей, источников возобновляемой энергии, устройств медицинской техники и других устройств.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при разработке таких устройств, как высокочувствительные датчики магнитного поля, электрического тока, электромагнитного поля, преобразователи, источники возобновляемой энергии и другие устройства, а также в построении устройств автоматики, медицинского оборудования, автомобильной электроники, навигации, геологии, систем безопасности и др. Магнитоэлектрический диод с внутренним магнитным полем представляет собой горизонтальный p-i-n-диод, выполненный из пьезополупроводникового материала, в качестве высокоомной области которого используется композитная магнитострикционно-пьезополупроводниковая структура с градиентом намагниченности, образованная высокоомной областью подложки GaAs и магнитострикциоиным слоем, состоящим из метгласа и никеля. Магнитоэлектрический диод с внутренним магнитным полем обладает компактной конструкцией, высокой чувствительностью к магнитному полю, низкой резонансной частотой. 1 ил.

Магнитоэлектрический диод с внутренним магнитным полем, состоящий из горизонтально расположенных областей р-, i- и n-типа, сформированных в высокоомной полупроводниковой подложке, отличающийся тем, что в качестве высокоомной i-области используется композитная магнитострикционно-пьезополупроводниковая структура с градиентом намагниченности, образованная высокоомной областью подложки GaAs и магнитострикционным слоем, состоящим из слоев метгласа и никеля.