Снос зданий:
ecosnos.ru
Главная  Микромагнитоэлектроника: направление технологии 

1 2 3 4 5 6 [ 7 ] 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122

Рис. 2.12. Эпитаксиальный горизонтальный элемент Холла: 1 - активная область элемента Холла; 2 -изолирующие диффузионные области р типа; 3, 4 - области п* токовых контактов; 5, 6- измерительные контакты; 7 - область эмиттера; 8 -область базы


п


п

Геометрию активной области элемента Холла 1 определяют изолируюпще диффузионные области р -типа 2, области п+ токовых 3, 4 и измерительных (холловских) 5, 6 контактов формируются одновременно с изготовлением области эмиттера 7 биполярных транзисторов.

Структура эпитаксиального элемента Холла с четьфьмя измерительными и токовыми контактами обеспечивает получение величины магнитной чувствительности порядка 0,43 В/Тл при токе управления 5 мА и остаточном напряжении не более 4 мВ [69].

Вертикальный элемент Холла

Па рис. 2.13 приведена структура элемента Холла, чувствительного к составляюш;ей магнитного поля, направленной параллельно поверхности кристалла. Этот элемент также изготовлен по типовой эпитаксиально-планарной технологии.

Рис. 2.13. Вертикальный элемент Холла, сформированный по технологии биполярных ИС: а - структура; б - топология элемента; 1, 2, 3- токовые электроды; 4, 5 - измерительные электроды; 6 -эпитаксиальный слой; 7 - скрытый п* слой; 8 - изолирующие р' области


2.1.1. Элементы Холла но технологии биполярных ИС

Большинство интегральных элементов Холла изготавливаются по, биполярной эпитаксиальной технологии. Эта технология хорошо освоена в электронной промьппленности, так как она широко используется при изготовлении кремниевых интегральных микросхем. Поэтому для изготовления интегральных элементов Холла практически не требуется дополнительного технологического оборудования.

Суш;ественным недостатком приборов, изготовленных по биполярной технологии, является значительный ток управления - 2-10 мА. Этот параметр особенно критичен при использовании приборов в устройствах с автономными источниками питания, а также в энергосберегаюпщх системах.

Стоимость приборов, изготовленных по биполярной эпитаксиальной технологии, остается достаточно высокой, что обусловлено, гаавным образом, использованием дорогостояпщх эпитаксиальных структур со скрытыми высоколегированными слоями [9, 20].

Учитывая широкое распространение интегральных элементов Холла, изготовленных по биполярной технологии, ниже приводится описание нескольких вариантов таких приборов.

Горизонтальный элемент Холла

Структура элемента Холла, изготавливаемого по типовой эпипланарной технологии кремниевых интегральных микросхем, приведена на рис. 2.12. Элемент предназначен для регистрации магнитного потока, перпендикулярного к поверхности кристалла.

? 7 ? ЗЛ ,6 4 2



Элемент имеет три токовых (1,2,3) и два измерительных (4,5) электрода, расположенных в плоскости кристалла в ортогональных направлениях. Смещение задается таким образом, что ток течет от центрального токового контакта 2 к двум другим токовым контактам (1,3) через эпитаксиальный слой 6 и скрытый прелой 7. В эпитаксиальном слое под центральным токовым электродом 1 ток течет перпендикулярно поверхности кристалла. Если внешнее магнитное поле направлено параллельно оси расположения токовых электродов и поверхности кристалла, то в активной области элемента генерируется ЭДС -Холла, которая фиксируется на измерительных (холловских) электродах, расположенных около центрального токового электрода.

Удельная магнитная чувствительность такого элемента составляет примерно 47 В/ТлгА, и при дальнейшей оптимизации топологии кристалла может быть увеличена до 1000-1300 В/ТлгА [69].

Трехполюсный элемент Холла

Представляет интерес преобразователь магнитного поля, предложенный Ч. С. Румени, П. Т. Костевым. и названный авторами трехполюсным элементом Холла [63].

Па самом деле данный преобразователь не является элементом Холла в классическом понимании. По принципу действия прибор относится к полупроводниковым магниторезисторам. Структура преобразователя магнитного поля приведена на рис. 2.14.

Преобразователь реализован в кремниевой подложке толщиной 300 мкм, на поверхности которой сформированы три омических контакта (П^, П^, П^). Электроды (контакты) имеют прямоугольную форму и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Папряжение питания прикладьшается между электродом Hj и электродами П^, П^ (через резисторы R, R и R).

SiO,

\ < fj <

и M

) -пит

7 Нз.

Рис. 2.14. Структура и схема включения трехполюсного элемента Холла

В

Прибор функционирует следующим образом. При воздействии магнитного потока, параллельного плоскости кристалла, напряжение сигнала возникает между крайними электродами, а дифференциальное напряжение снимается непосредственно с электродов П^, П^.

При расстоянии между электродами П^ - П^ и П^, равном 300 мкм, и сопротивлении нагрузки, равном R, = R2= 10 кОм, магнитная чувствительность элемента достигает 0,1-0,12 В/Тл при токе управления 15 мА.

Папряжение сигнала является линейной функцией магнитной индукции В и тока управления 1, при смене полярности магнитного поля этот сигнал также меняет свой знак.

При помощи резистора Rg производится компенсация остаточного холловского напряжения U [63].

2.1.2. Элементы Холла но МОП технологии

В последние годы в России и за рубежом ведутся интенсивные работы по созданию и производству магниточувствительных элементов и структур на основе кремниевой МОП -технологии. Эта технология не требует применения дорогостоящих эпитаксиальных структур и позволяет значительно снизить ток управления элементов. Кроме того, по МОП -технологии можно создавать дешевые микромощные магниточувствительные и магнитоуправляемые ИС.

С учетом перспективности использования интегральных элементов Холла, изготовленных с применением МОП -технологии, ниже хтриводится охшсание нескольких вариантов таких приборов.

Горизонтальный МОП элемент Холла

Структура кристалла горизонтального МОП элемента Холла приведена на рис. 2.15. Исходной подложкой является кремниевая пластина п типа, на поверхности которой сформированы четьфе диффузионные области ратина проводимости, две из которых служат токовыми электродами 1,2, а две другие - измерительными (холловскими) электродами 3 4. Между областями сформирован подзатворный диэлектрик 5 и алюминиевый электрод затвора 6.




Рис. 2.15. Структура горизонтального МОП элемента Холла: 1, 2-р' типа диффузионные области токовых контактов; типа

диффузионные области измерительных электродов; 5 - подзатворный диэлектрик; 6 -электрод затвора

Работает элемент Холла следующим образом. При подаче на затвор отрицательного относительно подложки напряжения в подзатворной области возникает инверсный слой. Если при этом подать смещение на токовые электроды, то между ними потечет ток дьфок, а так как измерительные электроды вьшолнены симметрично относительно друг друга, то разность потенциалов между ними в отсутствие магнитного поля равна нулю. При воздействии внешнего магнитного поля, перпендикулярного к поверхности кристалла, в инверсном слое МОП структуры возникает поперечная холловская ЭДС, значение и знак которой определяются величиной и направлением вектора магнитной индукции.

Основными отличительными чертами данного элемента являются:

- полная совместимость его формирования с типовыми МОП транзисторными структурами;

- возможность получения очень тонкой активной области элемента Холла (10-20 нм), которая в данной конструкции определяется толщиной инверсионного слоя что, в свою очередь, позволяет повысить удельную магнитную чувствительность элемента до 80 В/ТлгА.

При формировании подобной структуры на кремниевой подложке р типа проводимости удельная магнитная чувствительность может быгь увеличена до 400 В/ ТлгА [69].

Вертикальный МОП элемент Холла

Па рис. 2.16 приведена структура и топология вертикального элемента Холла, вьшолненного по МОП технологии кремниевых ИС.

Исходной подложкой является кремниевая пластина п типа. Активная область элемента ограничивается глубокой кольцевой областью р типа проводимости 7.

Поликремневый затвор располагается на тонком подзатворном окисле кремния, что позволяет при подаче на него смещения обеспечивать стабилизацию поверхностного потенциала и поверхностной плотности заряда.

Рис. 2.16. Структура вертикального элемента Холла: 1,2,3- токовые контакты; 4, 5 - измерительные контакты; 6 - поликремневый электрод затвора; 7 - изолирующая кольцевая область р типа проводимости


В данной структуре токовые и измерительные (холловские) контакты вьшолнены в виде параллельных полосок. В отсутствие магнитного поля ток распределяется равномерно между контактами 1-2 и 2-3 ,следовательно, значения потенциалов на измерительных контактах 4,5 практически равны. При воздействии внешнего магнитного поля в активной области элемента возникает компенсирующее поле Холла, которое является мерой напряженности магнитного поля [69].

2.1.3. Элементы Холла но технологии молекулярной энитаксии

В последние годы ведущими зарубежными фирмами ведутся интенсивные работы по созданию элементов Холла с использованием молекулярной эпитаксии (Molecular beam epitaxy - МВЕ).

В отечественной научно-технической литературе подобная технология носит название молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ).

Элементы Холла, изготовленные по МВЕ технологии, представляют собой многослойные структуры, сформированные на полупроводниковой подложке. Например, на подложке из GaAs последовательно формируются слои: AlGaAsSb - InAs - AlGaAsSb - GaAsAl. [87]



1 2 3 4 5 6 [ 7 ] 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122