BG113809A - Вертикален микросензор на хол - Google Patents

Abstract

Вертикалният микросензор на Хол съдържа полупроводникова подложка (1) с n-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг последователно четири правоъгълни омични контакти - първи (2), втори (3), трети (4) и четвърти (5), разположени успоредно на дългите си страни. Първият (2) и вторият (3) контакт са в близост като откъм другите им дълги страни е формирана по една p-тип правоъгълна ограничителна зона (6), успоредна на контакти (2), (3), (4) и (5), и проникваща в обема на подложката (1). От двете дълги страни на четвъртия контакт (5) и в близост до тях има по една друга p-тип правоъгълна ограничителна зона (7), проникваща в обема. Третият контакт (4) е разположен в средата между втория (3) и четвъртия (5). Срещуположната равнина на тази с контактите (2), (3), (4) и (5) съдържа високопроводящ слой (8). Вторият (3) и четвъртият (5) контакт са непосредствено електрически свързани с токоизточник (9), а първият (2) и третият (4) са диференциалният изход (10) на микросензора. Измерваното магнитно поле (11) е успоредно както на равнината на подложката (1), така и на дългите страни на контактите (2), (3), (4) и (5).

Description

ВЕРТИКАЛЕН МИКРОСЕНЗОР НА ХОЛ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до вертикален микросензор на Хол, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; квантовата комуникация и навигацията; автомобилната промишленост, включително хибридните превозни средства и електромобилите; автоматизацията на процеси в това число безконтактната автоматика; системите за сигурност с изкуствен интелект; роботизираната и минимално инвазивната хирургия; слабополевата и високоточната магнитометрия; в подводните, наземните и въздушните системи за наблюдение и превенция; контратероризма и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е вертикален микросензор на Хол, съдържащ полупроводникова (силициева) подложка с н-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг последователно четири правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети и четвърти, разположени успоредно на дългите си страни. Първият и третия контакт са свързани през токоизточник, а вторият и четвъртият контакт са диференциалният изход на микросензора като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на правоъгълните контакти, [1-5].

Недостатък на този вертикален микросензор на Хол е ниската магниточувствителност (преобразувателна ефективност) в резултат на хоризонталното протичане на част от захранващия ток през изходните контакти, планарно разположени едновременно със захранващите върху една и съща повърхност на подложката, което понижава изходното напрежение на Хол, респективно намалява се магниточувствителността.

Недостатък е също редуцираната метрологична точност по причина на понижената чувствителност и отношението сигнал/шум, водещи до забележимо присъствие в изходното напрежение на паразитни сигнали от типичните сензорни недостатъци като температурен дрейф, флуктуации, хистерезис, вътрешен 1//(фликер) шум, офсет и др.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде вертикален микросензор на Хол с повишени магниточувствителност и измервателна точност.

Тази задача се решава с вертикален микросензор на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с и-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг последователно четири правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети и четвърти, разположени успоредно на дългите си страни. Първият и вторият контакт са в близост като откъм другите им дълги страни е формирана по една ртип правоъгълна ограничителна зона, успоредна на омичните контакти и проникваща в обема на подложката. От двете дълги страни на четвъртия контакт и в близост до тях има по една друга /?-тип правоъгълна ограничителна зона, проникваща в обема. Третият контакт е разположен в средата между втория и четвъртия. Срещуположната равнина на тази с контактите съдържа високо проводящ слой. Вторият и четвъртият контакт са непосредствено електрически свързани с токоизточник, а първият и третият са диференциалният изход на микросензора. Измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност в резултат на следните фактори: 1. Ограничителните р-тип зони в близост до първия и втория контакт както и същите р-тип зони, разположени от двете дълги страни на четвъртия контакт способстват за значително по-дълбоко проникване в обема на целия захранващ ток постъпващ в подложката, което съществено повишава Лоренцовото му отклонение в магнитно поле; 2. Драстично е редуциран хоризонталният компонент на захранващия ток в приповърхностната област на подложката от формираните двойки дълбоки р-тип зони; 3. Изходното напрежение на Хол е допълнително повишено от акумулираните отрицателни и положителни товари в магнитно поле с ограничителните р-тип буфери (зони) до първия и и третия контакт; и 4. Наличието на високо проводящ слой върху срещуположната страна на подложката редуцира ефективното съпротивление на структурата, допринасяйки също за проникването на тока в обема. Ето защо поголямият захранващ ток в механизма на Хол и особеностите на конфигурацията на микросензора генерират значително по-висока стойност на изходното напрежение, т.е. магниточувствителност.

Предимство е още повишената метрологична резолюция при детектиране на минималната магнитна индукция B_min, поради увеличеното отношение сигнал/шум чрез високата чувствителност и силно редуцираните шумови флуктуации с помощта на дълбоките р-тип буфери, ограждащи първия и втория, и съответно четвъртия контакт.

Предимство е и нараствалата измервателна точност в резултат на високата чувствителност и редуцираните паразитни шумови флуктуации чрез ограничителните р-тип области.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено схематично на приложената Фигура 1, представляваща напречното сечение на микросензора на Хол.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Вертикалният микросензор на Хол съдържа полупроводникова подложка 1 с и-тип примесва проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг последователно четири правоъгълни омични контакти - първи 2, втори 3, трети 4 и четвърти 5, разположени успоредно на дългите си страни. Първият 2 и вторият 3 контакт са в близост като откъм другите им дълги страни е формирана по една р-тип правоъгълна ограничителна зона 6, успоредна на контакти 2, 3, 4 и 5, и проникваща в обема на подложката 1. От двете дълги страни на четвъртия контакт 5 и в близост до тях има по една друга р-тип правоъгълна ограничителна зона 7, проникваща в обема. Третият контакт 4 е разположен в средата между втория 3 и четвъртия 5. Срещуположната равнина на тази с контактите 2, 3, 4 и 5 съдържа високопроводящ слой 8. Вторият 3 и четвъртият 5 контакт са непосредствено електрически свързани с токоизточник 9, а първият 2 и третият 4 са диференциалният изход 10 на микросензора. Измерваното магнитно поле 11 е успоредно както на равнината на подложката 1, така и на дългите страни на контактите 2, 3, 4 и 5.

Действието на вертикалния микросензор на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на токоизточника 9 към контактите 3 и 5, през в обема на подложката 1 протича захранващият ток /₃,₅. В резултат на оригиналното техническо решение - формираните в близост до контакти 3 и 5 нисколегирани р-тип буфери (зони) 6 и 7, целият ток /₃,₅ пронкива в дълбочина на подложката 1 без странично разсейване. Буфери 6 и 7 не позволяват възникването на хоризонтално протичане на част от захранващия ток по повърхността с контакти 2, 3, 4 и 5, за да формират паразитен компонент. В резултат драстично намаляват и флуктуациите на изхода 10. Степента на проникване на тока зависи от ширината на захранващите електроди 3 и 5, силата на тока /_3}5, дълбочината на р-тип зоните 6 и 7, и ефективното съпротивление R* на подложката 1, формирано от концентрацията на легиращата примес, например фосфор Р и от наличието на високопроводящия слой 8. Траекторията на електроните в подложката 1 е криволинейна, [2,3,5]. Тя стартира, например, от контакт 3, прониква вертикално в обема, след това става успоредна на горната страна на подложката 1, и накрая отново е вертикална към контакт 5. Предпоставка за вертикалното проникване w на тока /3,5 е също еквипотенциалността на омичните контакти 3 и 5 в отсъствие на магнитно поле В 11. Най-общо дълбочината w за фиксирана концентрация на донорната примес N_D = const в м-тип подложката 1 при условие, че отсъстват р-тип областите 6 и 7, зависи от съотношението М между ширината /1 на захранващите контакти 3 и 5 и разстоянието 1₂ между тях, Μ = Z1//2, [6]. Изчислената дълбочина w при най-често използваната в микроелектрониката концентрация в Si на легиращи донорни примеси N_D ~ 10 cm' и например разстояние /₂~ 25 pm съставлява около щ ~ 30 pm. Близостта на нисколегираните р-тип буфери (зони) 6 и 7 до съответните п⁺контакти се определя от използаните за реализация на сензора IC технологични процеси. Кинетиката на електроните се обуславя и от високопроводящия слой 8 с плаващ потенциал върху срещуположната страна, Фигура 1. Същевременно р-тип ограничителните зони 6 и 7 препятстват разтичането на захранващия ток по повърхността на подложката 1. Чрез вариране на разстоянието между първия 2 и втория 3 контакт т.е. на потенциала на изходен терминал 2, или чрез компютърна симулация на този процес, се постига редуциране на паразитния офсет Ун2л(^ = 0) » 0. В резултат на тези условия силно се минимизират метрологичните грешки и флуктуациите на изхода 11 като точността е повишена.

При наличие на външно магнитно поле В 11 отделните части на нелинейния ток /_3;5 са подложени на отклоняващото действие на силите на Лоренц +F_{L i} = ±gVdr^х В, където q е елементарният товар на електрона, а Vd_r е векторът на средната дрейфова скорост на токоносителите. По тази причина токовите линии /₃₅ се деформират. Това поведение се определя от посоките на полето ±В 11 и на тока ±/_3>5. В областта под електрод 3 силата на Лоренц отклонява електроните, например, в ляво, а в зоната между контакти 3 и 5 токовите линии се отклоняват към слоя 8. Така генерираните от силите неравновесни токоносители се натрупват/акумулират в областите на изходните контакти 2 и 4. Те се задържат там с буферите 6 и 7, предотвратяващи разтичането им по повърхността на подложката 1. Тяхната концентрация, например, отрицателни товари върху контакта 2 и положителни върху терминал 4, повишава значително изходното напрежение на Хол УнглФ) Ю. Чрез силите F_L>i токовите линии /₃₅ се „свиват” към горната страна на подложката 1, или „се разгъват” в обема й. Фактически вертикалният компонент /₃ на тока /₃₅ генерира потенциалът на Хол Унд(^) върху изходния контакт 2, а хоризонталният - върху контакт 4, УцдСЛ).

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в специфичната конструкция. С помощта на двойките р-тип буфери (зони) 6 и 7 целият постъпващ ток прониква дълбоко в обема на подложката 1. За първи път в този клас четириконтактни елементи на Хол се използва подход, повишаващ магниточувствителността чрез целия захранващ ток /_{3 5}. В новата конфигурация, Фигура 1, изходният терминал 2 е разположен съществено по-близко до захранващия контакт 3 в противовес на разпространената до сега локация всички електроди да са еквидистантни. Предложеното решение съдържа следните предимства: а) повишава се магниточувствителността; б) нараства отношението сигнал/шум едновременно с метрологичната резолюция при детектиране на минималната магнитна индукция B_min 11, включително се увеличава измервателната точност.

Равнинно-чувствителният микросензор на Хол може да се реализира с CMOS, BiCMOS или микромашининг микроелектронни технологии. Омичните контакти 2, 3, 4 и 5 са силно легирани п⁺ области, формирани с епитаксия и дълбочина около 1 pm. Нисколегираните /2-тип зони 6 и 7, които често се формират чрез BiCMOS, могат да бъдат заменени с т.н. „ровове” или „траншеи” с подходяща дълбочина (trench etch depth) чрез химичната процедура ецване. Високопроводящият слой 8 се реализира както с метализация, така и с високопроводящ „вкопан” (buried layer) п⁺слой. Това образование 8 по същество представлява изходен електрод, върху който в магнитно поле В 11 се генерира съответен Холов потенциал ±Vh,s(^)· Например, напрежението ±Vh4,s(^) между контакти 4 и 8 допълнително разширява използваемостта на елемента от Фигура 1. Вертикалният или равнинно-чувствителният микросензор може да функционира в широк температурен интервал, включително в криогенна среда, което подобрява основните му характеристики. За още по-висока преобразувателна ефективност за целите на слабополевата и високоточната магнитометрия, сеизмологията, контратероризма, навигацията и др., силициевият чип с елемента на Хол може да се разположи между два еднакви концентратора на полето В 11 от ферит или μ-метал. За още повисока магнитоелектрична конверсия следва да се използва полупроводникът n-GaAs от групата А В , чиято електронна подвижност μ_η при стайна температура Т = 300 К е повече от 8 пъти по-висока от тази на n-Si.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, Датчик на Хол, Авт. свид. № BG 41974/06.05.1986; С. Roumenin, Parallel-field Hall microsensor, Compt. rendus ABS, 40(11) (1987) pp. 59-62.

[2] C. Roumenin, Solid State Magnetic Sensors, Elsevier, Amsterdam, 1994, p. 450; ISBN: 0 444 89401.

[3] A.M.J. Huiser, H.P. Baltes, Numerical modeling of vertical Hall-effect devices, IEEE Electr. Device Letters, 5(9) (1984) pp. 482-484.

[4] C. Roumenin, Microsensors for magnetic field, Chap. 9, in „MEMS - a practical guide to design, analysis and applications”, ed. by J. Korvink and

0. Paul, William Andrew PubL, USA, 2006, pp. 453-523; ISBN: 0-81551497-2.

[5] C.S. Roumenin, Parallel-field Hall microsensors - An overview, Sensors and Actuators, A 30 (1992) pp. 77-87.

[6] T. Kaufmann, On the offset and sensitivity of CMOS-based five-contact vertical Hall devices, in “MEMS Technology and Engineering”, v. 21, Der Andere Verlag, 2013, p. 147.

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   Вертикален микросензор на Хол, съдържащ полупроводникова подложка е п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг последователно четири правоъгълни омични контакти — първи, втори, трети и четвърти, разположени успоредно на дългите си страни, вторият и четвъртият контакт са непосредствено електрически свързани с токоизточник, а първият и третият са диференциалният изход на микросензора, като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на контактите, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ е това, че първият (2) и вторият (3) контакт са в близост като откъм другите им дълги страни е формирана по една р-тип правоъгълна ограничителна зона (6), успоредна на контакти (2), (3), (4) и (5), и проникваща в обема на подложката (1), от двете дълги страни на четвъртия контакт (5) и в близост до тях има по една друга р-тип правоъгълна ограничителна зона (7), проникваща в обема, третият контакт (4) е разположен в средата между втория (3) и четвъртия (5) като срещуположната равнина на тази с контактите (2), (3), (4) и (5) съдържа високопроводящ слой (8).