BG67807B1 - 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) контакти 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 на подложката (1). Третият контакт (4) е разположен в средата между втория (3) и четвъртия (5) контакти. Срещуположната равнина на тази с контактите (2), (3), (4) и (5) съдържа високопроводящ слой (8). Вторият (3) и четвъртият (5) контакти са непосредствено електрически свързани с токоизточник (9), а първият (2) и третият (4) контакти 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

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 n -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/f (фликер) шум, офсет и др.

Техническа същност на изобретението

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 n -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 контакти са в близост, като откъм другите им дълги страни е формирана по една р-тип правоъгълна ограничителна зона, успоредна на омичните контакти и проникваща в обема на подложката. От двете дълги страни на четвъртия контакти и в близост до тях има по една друга р тип правоъгълна ограничителна зона, проникваща в обема на подложката. Третият контакт е разположен в средата между втория и четвъртия контакт. Срещуположната равнина на тази с контактите съдържа високопроводящ слой. Вторият и четвъртият контакти са непосредствено електрически свързани с токоизточник, а първият и третият контакти 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 хоризонталния 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 третия контакт; и 4. Наличието на високопроводящ слой върху срещуположната страна на подложката редуцира ефективното съпротивление на структурата, допринасяйки също за проникването на тока в обема. Ето защо по-голямия 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 Bmin, 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 нарасналата измервателна точност в резултат на високата чувствителност и редуцираните паразитни шумови флуктуации чрез ограничителните р-тип области.

Пояснение на приложената фигура

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 на изобретението

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 контакти 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 на подложката. Третият контакт 4 е разположен в средата между втория 3 и четвъртия 5 контакт. Срещуположната равнина на тази с контактите 2, 3, 4 и 5 съдържа високопроводящ слой 8. Вторият 3 и четвъртият 5 контакти са непосредствено електрически свързани с токоизточник 9, а първият 2 и третият 4 контакти 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 захранващия ток I3,5. В резултат на оригиналното техническо решение - формираните в близост до контакти 3 и 5 нисколегирани буфери (зони) р-тип 6 и 7, целият ток I3,5 прониква 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 диференциалния изход 10. Степента на проникване на тока зависи от ширината на захранващите контакти 3 и 5, силата на тока 1₃,₅, 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 контактите 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 I3,5 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: ND = const в n -тип подложката 1 при условие, че отсъстват p-тип зони 6 и 7, зависи от съотношението М между ширината 11 на захранващите контакти 3 и 5 и разстоянието 1₂ между тях, М = 11/1₂, [6]. Изчислената дълбочина w при най-често използваната в микроелектрониката концентрация в Si на легиращи донорни примеси Nd ~ 10¹⁵ cm^-3 и например разстояние 12 = 25 μm съставлява около w ~ 30 μm.

Близостта на нисколегираните буфери (зони) р-тип 6 и 7 до съответните n⁺ контакти се определя от използваните 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 ограничителните р-тип зони 6 и 7 препятстват разтичането на захранващия ток по повърхността на подложката 1. Чрез вариране на разстоянието между първия 2 и втория 3 контакти т. е. на потенциала на изходен контакт 2, или чрез компютърна симулация на този процес, се постига редуциране на паразитния офсет Vh2,4(B = 0) ~ 0. В резултат на тези условия силно се минимизират метрологичните грешки и флуктуациите на диференциалния изход 10, като точността е повишена.

При наличие на външно магнитно поле В 11, отделните части на нелинейния ток I3,5 са подложени на отклоняващото действие на силите на Лоренц ±FL,i = ±qVir х В, където q е елементарният товар на електрона, а Vdr е векторът на средната дрейфова скорост на токоносителите. По тази причина токовите линии I₃,₅ се деформират. Това поведение се определя от посоките на полето ±B 11 и на тока ± I₃,₅. 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 високопроводящия слой 8. Така генерираните от силите Fщ неравновесни токоносители се натрупват/акумулират в областите на изходните контакти 2 и 4. Те се задържат там със зони 6 и 7, предотвратяващи разтичането им по повърхността на подложката 1. Тяхната концентрация, например, отрицателни товари върху контакта 2 и положителни върху контакта 4, повишава значително изходното напрежение на Хол Vh2,4(B) диференциален изход (10). Чрез силите FL,i токовите линии I3,5 се „свиват” към горната страна на подложката 1, или „се разгъват” в обема й. Фактически вертикалният компонент I3, на тока I₃,₅ генерира потенциалът на Хол V_h2(B) върху изходния контакт 2, а хоризонталният - върху контакт 4, V_h,₄(B).

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в специфичната конструкция. С помощта на двойките буфери (зони) р-тип 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 магниточувствителностга чрез целия захранващ ток I3,5. В новата конфигурация, Фигура 1, изходният терминал 2 е разположен съществено по-близко до захранващите контакти 3 в противовес на разпространената до сега локация всички електроди да са еквивалентни. 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 _mn 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 n⁺ области, формирани с епитаксия и дълбочина около 1 pm. Нисколегираните р-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. Високопроводящият слой 8 по същество представлява изходен електрод, върху който в магнитно поле В 11 се генерира съответен Холов потенциал ±Vh,s(B). Например, напрежението ± Vh4,s(B). 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 по-висока магнитоелектрична конверсия следва да се използва полупроводникът n-GaAs от групата А³В⁵, чиято електронна подвижност μ _n при стайна температура Т = 300 К е повече от 8 пъти по-висока от тази на n-Si.

Claims (1)

1. Патентни претенции

   1. Вертикален микросензор на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с n-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 контакти са непосредствено електрически свързани с токоизточник, а първият и третият контакти са диференциалния изход на микропроцесора, като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на контактите, характеризиращ се с това, че първият (2) и вторият (3) контакти 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 обем на подложката (1), третият контакт (4) е разположен в средата между втория (3) и четвъртия (5) контакти, като срещуположната равнина на тази с контактите (2), (3), (4) и (5) съдържа високопроводящ слой (8).