Датчик магнитного поля

Изобретение относится к полупроводниковым магниточувствительным датчикам, использующим эффект Холла. Сущность: датчик магнитного поля содержит арсенидогаллиевый кристалл, состоящий из полуизолирующей подложки, магниточувствительного эпитаксиального слоя электронного типа проводимости, токовых и потенциальных контактов, в котором толщина магниточувствительного слоя (d) задана в пределах: d=(0,2-1,5) мкм, а средняя концентрация электронов (n) в указанном слое выбирается из соотношения: n·d=(3,3-20)·10¹¹ см^-2. Технический результат изобретения: увеличение в несколько раз удельной магнитной чувствительности без заметного увеличения остаточного напряжения, уровня шумов без снижения стабильности работы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к полупроводниковым магниточувствительным устройствам и может быть использовано как датчик магнитного поля в составе измерительной аппаратуры и в различных системах автоматического управления.

Известны устройства для измерения магнитной индукции, например датчики, использующие эффект Холла. Конструктивно они представляют собой полупроводниковую пластину прямоугольной формы с двумя парами ортогонально расположенных электрических контактов [1]. Принцип действия таких устройств состоит в том, что при протекании электрического тока между одной парой контактов и под воздействием магнитного поля, вектор которого перпендикулярен вектору тока, возникает ЭДС Холла на другой паре электрических контактов. Максимальная величина ЭДС Холла (U_xmax), а следовательно, и чувствительность датчика зависят от геометрии пластины (главным образом, толщины), концентрации и подвижности носителей заряда [2]:

где

А - постоянная Холла;

μ - подвижность носителей заряда;

n - концентрация носителей заряда;

d - толщина пластины (магниточувствительного объема кристалла).

Недостатком таких устройств является низкая чувствительность из-за технологических трудностей обеспечения малой толщины пластины.

Из полупроводниковых материалов, используемых для изготовления высокочувствительных датчиков магнитного поля, согласно выражению (1) наиболее пригодны материалы А₃В₅ с высокой подвижностью электронов, такие как InSb, InAs, GaAs и др. Из них использование арсенида галлия предпочтительно для производства датчиков, предназначенных для работы в широком диапазоне температур и в условиях воздействия радиоактивного излучения и факторов космического пространства [3]. Изготовление арсенидогаллиевых датчиков в тонкопленочном исполнении позволяет задавать толщину магниточувствительной области кристалла от единиц нанометров до нескольких микрометров. Удельная магнитная чувствительность промышленных эпитаксиальных арсенидогаллиевых датчиков магнитного поля составляет 20-280 В/А·Тл [4].

Однако неограниченное уменьшение толщины магниточувствительной области (d) и (или) концентрации носителей заряда (n) для достижения согласно выражению (1) высоких значений U_xmax приводит к таким негативным факторам, как увеличение остаточного напряжения датчика, рост входного и выходного сопротивлений, а также повышение уровня шумов и снижение стабильности работы.

Наиболее близким заявляемому настоящим изобретением устройству является датчик магнитного поля, содержащий подложку из полуизолирующего арсенида галлия, на которой методом МОС-гидридной технологии эпитаксиально выращен магниточувствительный слой электронного типа проводимости [5]. Удельная магниточувствительность указанных датчиков составляла 220 В/А·Тл при толщине эпитаксиальной пленки 0,35 мкм и концентрации электронов в ней 8,8·10¹⁶ см^-3.

Однако достигнутый уровень чувствительности арсенидогаллиевых датчиков магнитного поля недостаточен для ряда астрофизических измерений и особенно измерений в области малых значений магнитной индукции.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое решение, состоит в увеличении в несколько раз удельной магнитной чувствительности датчика магнитного поля без заметного увеличения остаточного напряжения, уровня шумов и без снижения стабильности работы.

Положительный результат достигается тем, что устройство датчика магнитного поля, включающее арсенидогаллиевый кристалл, состоящий из полуизолирующей подложки, магниточувствительного эпитаксиального слоя электронного типа проводимости, токовых и потенциальных контактов, имеет толщину магниточувствительного слоя d=(0,2-1,5) мкм, в котором средняя концентрация электронов (n) технологически задана из соотношения

Для повышения стабильности работы датчика концентрация электронов по толщине магниточувствительного слоя непрерывно возрастает от подложки в сторону электрических контактов.

Практическая реализация заявляемого устройства стала возможной благодаря экспериментально установленному оптимальному соотношению (2) между толщиной магниточувствительного слоя и концентрацией электронов в нем в диапазоне толщин магниточувствительного слоя (0,2-1,5) мкм. Диапазон концентраций электронов для выполнения этого соотношения составляет 2·10¹⁵-2·10¹⁶ см^-3. В рамках МОС-гидридной эпитаксиальной технологии, использованной в прототипе, получение эпитаксиальных слоев с указанной концентрацией требует больших материальных затрат на глубокую очистку металлоорганических соединений. В изготовлении заявляемого датчика магнитного поля использован хлоридный метод эпитаксиального наращивания, позволяющий обеспечить необходимый уровень концентрации электронов и заданный профиль легирования при значительно меньших затратах на очистку транспортных агентов. Чтобы снизить негативное влияние неравномерности пространственного распределения электрического поля в магниточувствительном слое на стабильность работы датчика, концентрация электронов в магниточувствительном слое кристалла увеличивается от подложки к электрическим контактам.

На чертеже схематически представлен один из возможных вариантов устройства заявляемого датчика, состоящего из кристалла, включающего подложку полуизолирующего арсенида галлия 1 и эпитаксиальный магниточувствительный слой 2. Кристалл установлен на керамический носитель 3. Токовые и потенциальные контакты 4 и 5, сформированные по планарной технологии, соединены проволочными выводами 7 с металлизированными контактными площадками 6 на керамическом носителе 3. Герметизирующим компаундом 8 обеспечивается монолитность конструкции датчика. На фигуре не показаны электрические соединения потенциальных контактов 5 кристалла с контактными площадками керамического носителя 3.

Работает датчик по известному принципу действия традиционных элементов Холла: через токовые контакты 4 пропускают управляющий электрический ток, что вызывает под воздействием магнитного поля возникновение на потенциальных контактах 5 сигнала, пропорционального магнитной индукции.

Экспериментально установлено, что при толщине магниточувствительного слоя менее 0,2 мкм при любых значениях концентрации электронов возрастают остаточное напряжение, входное и выходное сопротивление и шумы датчика магнитного поля. При толщине магниточувствительного слоя более 1,5 мкм резко уменьшается чувствительность датчика.

Пример практического исполнения. Были изготовлены датчики магнитного поля с толщиной магниточувствительного слоя 0,3 мкм и средней концентрацией электронов 10¹⁶ см^-3. Их удельная магнитная чувствительность достигала 2000 В/А·Тл, что почти на порядок выше, чем у прототипа. Они устойчиво функционировали при рабочих токах 0,2-1 мА. Входное сопротивление датчиков составляло не более 2500 Ом, удельное остаточное напряжение не превышало 6-8 В/А. Для уменьшения негативного влияния кристаллических дефектов на границе раздела подложка - эпитаксиальный магниточувствительный слой между ними наращивался тонкий (3 мкм) нелегированный буферный слой. Для снижения контактного сопротивления поверх слоя 2 наращивался тонкий (0,15 мкм) сильнолегированный промежуточный контактный слой (на чертеже буферный и контактный слои не показаны). Градиент концентрации электронов задавался в пределах технологических возможностей эпитаксиалного роста по толщине магниточувствительного слоя и составлял 5·10²¹ см^-4. Изготовленные датчики магнитного поля работоспособны в диапазоне температур -60÷+100°С.

Литература

1. Г.Вайсс. Физика гальваномагнитных приборов и их применение. - М.: Энергия, 1974, с.10.

2. М.М.Мирзабаев, К.Д.Потаенко, В.И.Тихонов и др. Эпитаксиальные датчики Холла и их применение.

3. И.М.Викулин, Л.Ф.Викулина, В.И.Стафеев. Гальваномагнитные приборы. - М.: Радио и связь, 1983, с.9-13.

4. М.Л.Бараночников. Микромагнитоэлектроника. - М.: DMK Пресс, 2001, с.47.

5. R. Campesato et.al. GaAs Hall sensor made by the MOCVD technique. Реферативный журнал "Электроника", 1993, №4, реф. 4Б216.

1. Датчик магнитного поля, включающий арсенидогаллиевый кристалл, состоящий из полуизолирующей подложки, эпитаксиального магниточувствительного слоя электронного типа проводимости, токовых и потенциальных контактов, отличающийся тем, что магниточувствительный слой имеет толщину d=(0,2-1,5) мкм, в котором средняя концентрация электронов (n) технологически задана из соотношения n·d=(3,3-20)·10¹¹ см^-2.

2. Датчик магнитного поля по п.1, отличающийся тем, что концентрация электронов в магниточувствительном слое возрастает от подложки в сторону поверхности кристалла.