Датчик магнитосопротивления на основе немагнитного полупроводникового материала Российский патент 2024 года по МПК G01R33/09 

Изобретение относится к области приборостроения и метрологии магнитных полей и может применяться для измерения полей в элементах магнитной памяти, а также, опосредованно, для измерения слабых токов и скоростей вращения подвижных элементов.

Эффект магнитосопротивления является основой для работы широкого класса устройств, выполняющих измерение магнитного поля. Двумя основными классами датчиков магнитосопротивления являются (1) датчики, использующие магнитные материалы, в т.ч. многослойные магнитные гетероструктуры с эффектом гигантского магнитосопротивления (2) датчики, использующие классический эффект магнитосопротивления в немагнитных полупроводниках, напр. кремнии, германии, соединениях A_IIIB_V, графене. Достоинством приборов первого типа являются высокие значения магнитосопротивления МС, определяемого как относительное изменение сопротивления R при приложении магнитного поля В:

Недостатком приборов первого типа является сложность их изготовления, объясняющаяся большим количеством используемых материалов и необходимостью точного контроля толщины используемых слоев.

Достоинством приборов второго типа, использующих классическое магнитосопротивление, является простота изготовления и совместимость к планарной и кремниевой технологиями.

Классическое магнитоспоротивление возникает из-за искривления траекторий носителей тока магнитным полем и соответствующего уменьшения длины свободного пробега. Величина классического магнитосопротивления зависит квадратично от подвижности электронов μ; так, диагональная компонента тензора электросопротивления ρ_хх дается выражением

Задача максимизации магнитосопротивления сводится, таким образом, к максимизации электронной подвижности. В двумерном материале с высокой подвижностью носителей - графене - магнитосопротивление может достигать более 100% в магнитном поле 0.1 Т при комнатной температуре (Xin N. et al. Giant magnetoresistance of Dirac plasma in high-mobility graphene //Nature. - 2023. - T. 616. - №. 7956. - C. 270-274.).

Известен датчик магнитосопротивления, содержащий структуру, включающую несколько слоев графена, где один из слоев используется в качестве затвора для изменения концентрации носителей и подвижности в соседних слоях, в которых, в свою очередь, измеряется магнитосопротивление. (G. Kalon, Н. Yang, Y.J. Shin, А.Н. Castro Neto "Graphene based magnetoresistance sensors", Европейский Патент № ЕР 3087405 B1 от 26.12.2014).

Существенной проблемой датчиков магнитосопротивления на основе тонкопленочных немагнитных полупроводников в геометрии с пленкой в форме прямоугольника является компенсирующее влияние наведенного эффекта Холла на измеряемое магнитосопротивление. Действительно, при пропускании тока между двумя противоположными сторонами прямоугольной пленки на двух других сторонах под действием сил Лоренца накапливается заряд. Этот заряд своим электрическим полем (суть Холловским полем) влияет на основной ток носителей таким образом, что эффект магнитосопротилвения сильно нивелируется. Если подвижность носителей заряда не зависит от энергии, и, соответственно, тензор электросопротивления определяется формулой Друде, то явление магнитосопротивления в прямоугольной геометрии должно полностью исчезать. Остаточное магнитосопротивление возникает лишь благодаря зависимости подвижности носителей от энергии.

Эффекты, связанные с Холловскими полями, полностью отсутствуют в геометрии Корбино, где ток протекает между центром и периферией кольца, выполненного из магнитно-чувствительного материала. В подобной геометрии измеряемое магнитосопротивление достигает своего максимального значения для заданного материала. Однако изготовление дисков Корбино в планарной технологии затруднительно, так как требует либо электрической подводки сверху, к центральному контакту над магнитно-чувствительным слоем, либо точного расположения магнитно-чувствительного материала на заранее определенном нижнем контакте. В связи с этим значительные усилия исследователей брошены на геометрическую оптимизацию эффекта магнитосопротивления, то есть на изменение планарной конфигурации заданных магнитно-чувствительных материалов для увеличения измеряемого магнитосопротивления.

В работе (Sun J., Soh Y. A., Kosel J. Geometric factors in the magnetoresistance of n-doped InAs epilayers //Journal of Applied Physics. - 2013. - T. 114. - №. 20.) предложено выполнять металлизацию боковых сторон магнитно-чувствительного материала в форме прямоугольника для устранения нежелательных Холловских зарядов и соответствующей максимизации магнитосопротивления. Магнитосопротивление, измеряемое в тонкопленочном материале данного датчика, увеличивается благодаря наличию вкраплений материала с высокой электропроводностью. Это происходит благодаря «выталкиванию» линий тока из сильно проводящего материала с увеличением магнитного поля. Данный геометрический эффект приводит к увеличению измеряемого магнитосопротивления.

Подобный способ увеличения магнитосопротивения описан в патенте США № US 5965283 от 12.10.1999, S. A. Solin, Т. Thio "GMR enhancement in inhomogeneous semiconductors for use in magnetoresistance sensors". В этой конструкции датчик магнитосопротивления содержит матрицу из полупроводникового материала с высокой подвижностью носителей заряда, имеющую вкрапления из высокопроводящего материала, внутренний электрод, встроенный в полупроводниковый материал, внешний электрод, встроенный в полупроводниковый материал, концентрически расположенный относительно внутреннего электрода, концентрически расположенное проводящее кольцо с зазором, встроенное в указанный полупроводниковый материал, расположенное между внутренним электродом и внешним электродом.

В статье (Luo Z., Zhang X. Resistance transition assisted geometry enhanced magnetoresistance in semiconductors //Journal of Applied Physics. - 2015. - T. 117. - №. 17.) описан способ увеличения магнитосопротивления, основанный на модуляции электросопротивления в плоскости кремниевой пластины.

Известен датчик магнитосопротилвения, содержащий тонкую полупроводниковую пленку из немагнитного материала и два металлических контакта к ней. Работа датчика основана на включении высокопроводящих металлических островков в немагнитный полупроводниковый материал типа диска Корбино (М. Green, К. Sassa, S. A. Solin, R.A. Stradling, S.Tsuchiya, " Mesoscopic non-magnetic semiconductor magnetoresistive sensors fabricated with island lithography" патент США № US 6353317 B1 от 05.03.2002, вариант описания конструкции Фиг. 4).

При формировании специального рисунка из высокопроводящих включений также возможно увеличение чувствительности конструкции датчика к магнитному полю. Описанная конструкция датчика наиболее близка к предлагаемому датчику магнитосопротивления, т.к. также использует геометрическую оптимизацию для усиления эффекта, и поэтому принята в качестве прототипа.

К недостаткам прототипа стоит отнести следующие. Формирование дисков Корбино на основе тонкопленочных материалов является технологически сложной задачей. Оно требует либо размещения структуры диска с проводящими контактами на заранее определенном в подложке «рисунке» из проводящих и изолирующих областей, либо требует подводки металлического контакта к центру диска сверху через слой тонкопленочного материала. В любом случае, это требует дополнительных литографических операций или ухода от планарной технологии. Далее, формирование металлических включений в основной полупроводниковый материал требует дополнительных литографических операций, травления и нанесения металлов. Основным же недостатком прототипа (как и всех структур с неоднородным сопротивлением) является то, что увеличение магнитосопротивления начинается только с определенного (критического) значения магнитного поля, при котором линии тока начинают выталкиваться из областей вкраплений. Это подтверждается измеренными данными в патенте на прототип, рис. 2: существует область небольших магнитных полей (наиболее ценных с точки измерений, менее 0.1 Т), при которых эффекты неоднородности сопротивления магнитно-чувствительного материала никак не проявляются.

Техническая задача, на которую нацелено данное изобретение, заключается в повышении чувствительности магниторезистивного датчика при сохранении планарной геометрии устройства. Выполнение датчика в планарной геометрии снижает количество требуемых технологических операций и упрощает процесс изготовления. Магнитно-чувствительный материал, используемый в датчике, при этом может быть любым, т.к. суть изобретения состоит в геометрической оптимизации измеряемого магнитосопротивления.

Техническим результатом является увеличение магнитосопротивления вплоть до 98% от значения, реализуемого в немагнитном магнитноувствительном материале в идеальной геометрии Корбино, при сохранении планарной конструкции датчика.

Технические результаты достигаются тем, что в известном датчике магнитосопротивления, содержащем тонкую пленку из немагнитного полупроводникового материала и два металлических контакта к ней, пленка выполнена в форме плоского кольца с вырезом в виде сегмента с углом а при вершине, который не превышает 60 градусов и варьируется в пределах 0°<α≤60°, а отношение внешнего и внутреннего радиусов кольца (по определению большее единицы) не превышает 1.1, при этом один металлический контакт примыкает к внешней стороне кольца по всей длине дуги, а второй контакт проходит через вырез и примыкает к внутренней стороне кольца по всей длине дуги. В качестве немагнитного полупроводникового материала выбраны материалы из ряда: кремний, графен, двухслойный графен, теллурид ртути.

Вариантом выполнения внутреннего контакта, обеспечивающего достижение результата, является то, что второй контакт выполнен в виде расположенного концентрично диска с вырезом, совпадающим с вырезом пленки, так, что его вывод проходит через вырезы.

Физическим принципом, обеспечивающим достижение результата, является особенность эффекта Холла в указанной геометрии кольца с вырезом. Холловские заряды, образующиеся при пропускании слабого измерительного тока и обыкновенно препятствующие возникновению магнитосопротивления, в данной геометрии накапливаются на торцах разреза в кольце. Так как указанные торцы пространственно отдалены от основной токопроводящей площади пленки, то Холловские заряды не влияют своим полем на ток в пленке и не приводят к снижению магнитосопротивления. Предельный случай магнитосопротивления, равный магнитосопротилвению в идеальном диске Корбино, реализуется в пределе малого угла выреза а и малого отношения ширины плоского кольца к его внешнему радиусу. Однако уже при α<60° и отношении ширины кольца к внутреннему радиусу менее 1/10 магнитосопротивление датчика отличается от случая диска Корбино не более, чем на 2%.

Признаком, отличающим датчик магнитного поля от прототипа, является выполнение магнитно-чувствительной пленки в форме плоского кольца с вырезом в виде сегмента с углом а при вершине большим нуля, но не превышающим 60 градусов, который варьируется в пределах 0°<α≤60°, отношение внешнего и внутреннего радиуса кольца не превышает 1.1, а металлические контакты для считывания сопротивления выполняются к внешней и внутренней сторонам кольца по всей длине соответствующих дуг. В качестве немагнитного полупроводникового материала выбраны материалы из ряда: кремний, графен, двухслойный графен, теллурид ртути.

Краткое описание чертежей.

Сущность изобретения поясняется чертежами на Фиг. 1., Фиг. 2., Фиг. 3, и Фиг. 4.

На Фиг. 1 схематично изображен датчик магнитосопротивления на основе немагнитного полупроводникового материала, где

1. - магнитно-чувствительная пленка из полупроводникового немагнитного материала с вырезом в виде сегмента с углом а при вершине, который варьируется в пределах 0°<α≤60°;

2. - внутренний металлический контакт;

3. - внешний металлический контакт;

4. - прибор измерения сопротивления.

Магнитное поле В имеет компоненту, нормальную к плоскости датчика. Сплошными стрелками показаны линии тока в отсутствие магнитного поля, штриховыми стрелками - линии Холловского тока в магнитном поле. Знаками «+» и «-» показаны накопившиеся заряды на торцах кольца. На Фиг. 2 схематично изображен датчик магнитосопротивления на основе немагнитного полупроводникового материала, где

1. - магнитно-чувствительная пленка из немагнитного полупроводникового материала с вырезом в виде сегмента с углом α при вершине, который варьируется в пределах 0°<α≤60°;

2. - внутренний металлический контакт, выполненный в виде расположенного концентрично диска с вырезом, совпадающим с вырезом пленки;

3. - внешний металлический контакт;

4. - прибор измерения сопротивления.

Магнитное поле В имеет компоненту, нормальную к плоскости датчика.

На Фиг. 3 представлена рассчитанная зависимость магнитосопротивления МС от нормированного магнитного поля μВ (μ - подвижность носителей) в датчике на основе кольца с вырезом, при различных углах выреза, варьируемых от 10° до 330° с шагом в 40°. Отношение внешнего и внутреннего радиусов взято равным r₂/r₁ = 2.0. Штриховой линией показана зависимость предельного МС от магнитного поля, достигаемая в диске Корбино.

На Фиг. 4 представлена рассчитанная зависимость безразмерного геометрического коэффициента магнитосопротивления K_G в заявляемом датчике как функция угла выреза а и отношения внешнего и внутреннего радиусов r₂/r₁ = 2.0. Штрихами подписаны линии уровня постоянной величины K_G, числовое значение подписано рядом с линией. Область достижимости технического результата (отличия магнитосопротивления в кольце от магнитосопротивления диска Корбино менее 2%) находится в левой нижней части графика.

Датчик магнитосопротивления работает следующим образом.

К магнитно-чувствительной пленке (1), имеющей форму плоского кольца с вырезом, выполняется пара контактов (2) и (3), между которыми измеряется электрическое сопротивление с помощью измерительного устройства (4). В роли такого устройства может выступать нагрузочный резистор с малым сопротивлением, к которому подключен вольтметр, и последовательный с резистором источник напряжения, хотя возможны и более сложные схемы. В магнитном поле В, имеющем ненулевую компоненту по нормали к пленке, возникает эффект магнитосопротивления, то есть сопротивление R между контактами (2) и (3) изменяется. Важно, что наряду с изменением сопротивления между контактами (2) и (3) в магнитном поле всегда возникает Холловский ток, то есть перенос заряда перпендикулярно исходным линиям электрического тока, показаны сплошными стрелками на Фиг. 1 Линии Холловского тока показаны на Фиг. 1 штриховыми стрелками. У торцов кольца Холловский ток прерывается, что приводит к накоплению заряда на торцах. В прямоугольной геометрии пленки поле этих Холловских зарядов уменьшает наблюдаемый эффект магнитосопротивления. В геометрии кольца с разрезом эти заряды отделены от основной токопроводящей площади, что оставляет магнитосопротивление почти неизменным.

Достижимость технического результата подтверждается расчетом магнитосопротивления в указанной геометрии кольца. Расчет основан на решении уравнения непрерывности для тока j, divj = 0, совместно с локальным законом Ома в магнитном поле - тензор электропроводности, дающийся формулой Друде. Уравнения решаются с условиями фиксации разности потенциалов между металлическими контактами, и условиями нулевого тока по нормали к электрически изолированным контактам. Размерностный анализ данной задачи показывает, что нормированное магнитосопротивление (МС), измеряемое между контактами (2) и (3), зависит только от произведения магнитного поля на подвижность носителей μВ, отношения внешнего и внутреннего радиусов кольца r₂/r₁, и от угла выреза α. Рассчитанная зависимость величины МС от магнитного поля при серии углов α приведена на Фиг. 3, откуда видно увеличение МС при уменьшении угла. На этом же рисунке штриховой линией показано магнитосопротивление в диске Корбино, дающееся формулой МС = (μВ)². Видно, что при малых углах МС в кольце с вырезом почти не отличается от МС в диске Корбино.

Наибольший практический интерес представляет МС в слабых магнитных полях, которое всегда может быть представлено в виде МС = K_G (μВ)², где K_G - безразмерный геометрический коэффициент, достигающий максимального значения, равного единице, в диске Корбино. Рассчитанный указанным выше методом коэффициент K_G как функция угла выреза α и отношения радиусов r₂/r₁ приведен на Фиг. 4 штрихами показаны «линии уровня», вдоль которых K_G является постоянным. Видно, что при α<60° и r₂/r₁ < 1.1 коэффициент K_G принимает значения выше 0,98. Это доказывает достижимость заявленного технического результата, то есть отличие магнитосопротивления в предлагаемой конструкции датчика от магнитосопротивления в диске Корбино не более, чем на 2%. При менее жестких требованиях к магнитосопротивлению устройства возможные значения угла выреза и отношения радиусов становятся более широкими. Так, для достижения магнитосопротивления, равного 95% от его значения в диске Корбино, отношение радиусов не должно превышать 1,5, а угол ограничен сверху величиной в 300°.

Изобретение относится к области приборостроения. Датчик магнитосопротивления на основе немагнитного полупроводникового материала состоит из тонкой полупроводниковой пленки и двух металлических контактов к ней, при этом пленка выполнена в форме плоского кольца с вырезом в виде сегмента с углом при вершине большим нуля, но не превышающим 60 градусов, отношение внешнего и внутреннего радиусов кольца составляет не более 1.1, при этом один металлический контакт примыкает к внешней стороне кольца по всей длине дуги, а второй контакт проходит через вырез и примыкает к внутренней стороне кольца по всей длине дуги. Технический результат заключается в увеличении магнитосопротивления устройства вплоть до максимальных значений, наблюдаемых в дисках Корбино на основе данного материала, при сохранении планарной геометрии устройства. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Датчик магнитосопротивления на основе немагнитного полупроводникового материала, состоящий из тонкой полупроводниковой пленки и двух металлических контактов к ней, отличающийся тем, что пленка выполнена в форме плоского кольца с вырезом в виде сегмента с углом при вершине большим нуля, но не превышающим 60 градусов, отношение внешнего и внутреннего радиусов кольца составляет не более 1.1, при этом один металлический контакт примыкает к внешней стороне кольца по всей длине дуги, а второй контакт проходит через вырез и примыкает к внутренней стороне кольца по всей длине дуги.

2. Датчик магнитосопротивления на основе немагнитного полупроводникового материала по п. 1, отличающийся тем, что второй контакт выполнен в виде расположенного концентрично диска с вырезом, совпадающим с вырезом пленки, так, что его вывод проходит через вырезы.

3. Датчик магнитосопротивления на основе немагнитного полупроводникового материала по п. 1, отличающийся тем, что в качестве немагнитного полупроводникового материала выбраны материалы из ряда: кремний, графен, двухслойный графен, теллурид ртути.