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CN1705891A - 一种磁场检测器件及相关方法 - Google Patents

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CN1705891A CN200480001419.3A CN200480001419A CN1705891A CN 1705891 A CN1705891 A CN 1705891A CN 200480001419 A CN200480001419 A CN 200480001419A CN 1705891 A CN1705891 A CN 1705891A
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Abstract

一种磁场检测器件，至少包括与一半导体材料制成的元件(11)结合的一个硬磁材料制成的元件(12)和一个软磁材料制成的元件(13)，以及在所述半导体材料(11)中驱动电流(I)的元件(15)，其特征在于：所述硬磁材料制成的元件(12)和软磁材料制成的元件(13)平面地设置在所述半导体材料制成的元件(11)上。

Description

一种磁场检测器件及相关方法
本发明涉及一种磁场检测器件，其中包括一硬磁材料制成的元件和一软磁材料制成的元件，该硬磁材料制成的元件及软磁材料制成的元件与一半导体材料制成的元件结合，以及在所述半导体材料中驱动电流的元件。
现有技术中，用磁阻传感器检测磁场，磁阻传感器就是例如一些其对电流通过的阻力随着它们受到的磁场的变化而改变的装置。特别是一种称为AMR(Anisotropic Magneto Resistance)的各向异性磁致电阻的磁传感器，它们通常用铁镍(坡莫合金)薄膜实现，镀敷在一硅晶圆上且做成电阻带(resistive strip)的形状。
外部磁场的施加确定了该坡莫合金中磁化方向的改变，使其不与电阻带中的电流平行，从而使电阻增大。上述的AMR传感器在有磁场存在时电阻会改变2％-3％。
为有效感知电阻的变化，AMR传感器被设置成惠斯顿电桥。
但是，电阻的变化与磁致电阻效应的发生相联系，该效应在与坡莫合金类似的有限数量的材料中存在。
然而，这样的传感器很难集成化和小型化，并且涉及成本高昂的镀膜工序。
也有一种所谓“自旋阀”型的磁场检测器件，它提供一垂直的堆层，在一简化的实施例中，在硬磁材料层和软磁材料层之间设置由绝缘或者导电材料制成的间隔层。如果在与硬磁材料层的磁化相反的方向施加磁场，该自旋阀就会有导电性上的急剧下降。
但是，上述自旋阀装置有一个复杂的结构需要构成。
本发明的目的在于提供一种具有较高灵敏度的、且易于以低成本的镀膜工序实现一体化的磁场检测器件。
本发明的目的之实现得益于后附的权利要求书中所述的一种磁场检测器件及其对应的磁场检测方法。
本发明将参照附图进行描述，其条件是完全采用非限定性的示例，其中：
图1A和图1B是本发明的磁场检测器件的两种不同工作状态的示意图。
图2是图1A和图1B中磁场检测器件的一种变形例。
图3是图1A和图1B中磁场检测器件的第一种变形例。
图4是图1A和图1B中磁场检测器件的第二种变形例。
图5是图1A和图1B中磁场检测器件的第三种变形例。
图1A表示一种磁场检测器件，用附图标记10标示。该磁场检测器件10包括半导体材料例如硅制成的衬底11，由硬铁磁材料(如铁镍钴合金或稀土合金)制成的第一带区12，该第一带区12镀敷在半导体衬底11上。所述第一带区12具有拉长的平行六面体形状，且有一永久磁化(如图1A中矢量MP所示)与之结合。面对所述第一带区12沿着其短边设置第二带区13，也具有拉长的平行六面体形状，由铁或坡莫合金等软铁磁材料制成。
第一带区12与第二带区13在它们之间确定衬底11的区域14，将两个带区彼此隔开。
如图1A所示，一标示为I的电流在电极15的驱动下被提供给该第一带区12与第二带区13，该电流I的通路也包含该半导体衬底11的区域14。与该电极15相连的有产生电流的发生器，以及用以测量电路的电阻变化的装置(图未示)。
图1A表示该器件10的第一工作状态，即被加上一个与永久磁化方向和该半导体衬底11中电流I的方向平行且一致的外部磁场H。
当外部磁场H与该硬磁材料12的第一带区12中磁化方向一致时，区域14的电阻较低。
如图1B所示，当外部磁场H反向时，则在软磁材料的第二带区13产生一与永久磁化MP方向相反的暂时磁化MT，该器件10具有最大的电阻，如图1B中所示，磁场线在反平行磁场H的作用下趋向于延展道环绕区域14的区域，从而影响该衬底11的迁移率并使总电阻增大。
上述的作用往往是半表层的，比如，它通常影响具有100纳米深度的层，很类似于二维的电子气体。从这方面考量，也可以将衬底11构成为具有二维边界的异质结构，来提高该磁场检测器件10的灵敏度特性。
可使用基于砷化镓(GaAs)/砷化铝镓(AlGaAs)的异质结构，其中各种外延层连续地改变其化学计量(stoichiometry)。例如，可以在开始时镀敷砷化镓(GaAs)层，在生长过程中增加A1的浓度直到达到需要的最后化学计量的砷化铝镓(AlGaAs)。砷和镓的化学计量比也可以在生长过程中改变。
图1A和图1B中所示的磁场检测器件10中的衬底11可以包括硅(Si)、锗(Ge)、锑化铟(InSb)、碲化(镉)汞(Hg(Cd)Te)、砷化铟(InAs)、碳化钛(TiC)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、磷化镓(GaP)、氮化镓(GaN)或者砷化铝镓(AlGaAs)/砷化镓(GaAs)异质结构，或者上述半导体材料与一种或多种金属成分的混合物。在本发明的一个优选实施例中，使用一种高电子迁移率的半导体，如锑化铟(InSb)。
构成该衬底11的半导体可以形成在其他衬底如硅或者玻璃上，采用连续或者脉冲电镀、电化学方法、简单沉淀(simpleprecipitation)、离心作用、热或电子束蒸镀、简单或磁控管溅镀、CVD、PECVD或连续照像(serigraphy)等方式。
半导体衬底11的厚度可以在1纳米到数百微米之间。
在该半导体衬底11上，第一带区的硬磁材料可采用硬磁合金，如CoNi80Fe20，而第二带区13的软磁材料可采用坡莫合金。当然，精于本领域技术的人员可替换用许多其他不同的材料，它们具有各自不同的硬磁和软磁性能，如不同化学计量组成的铁磁合金、镍、铁、钴或者一些稀土金属。这些材料可以通过连续的或者脉冲电镀、电化学方法、简单沉淀、离心作用、热或电子束蒸镀、磁控管溅镀、CVD、PECVD等方法进行镀敷。
图2表示图1A和图1B所示的器件10的一种磁场检测器件20的变形例，其中第一带区12和第二带区13通过多层地镀敷金属层形成，作为合金或作为复合层。另外，该半导体区域14可以由一聚合物层24代替，它含有金属或半导体原子簇(clusters)。该聚合物可以是绝缘的、共轭的或者导电的，也可以是光发射的。该金属簇也可直接镀敷在图1A和图1B中所示的区域14上，而不包含在聚合物层24中，可以采用连续的或者脉冲的电镀、电化学方法、简单沉淀、离心分离、热或者电子束蒸镀、磁控管溅镀、CVD、PECVD等方法，或者采用另一形成簇并控制簇敷设的装置。
在该器件10、20及第一带区12和第二带区13的制造中，可以采用光刻技术、电子或者离子束装置来进行几何上的确定。
第一带区12和第二带区13必须相互分离，其间距离可以在几埃到数百微米之间改变。
这些金属带区的厚度和宽度可在一纳米到数百微米之间变化。
在一可能的变形例中，该第一带区12和第二带区13的磁化状态可以由永久磁体或者与该带区正交的两条轨道上的电流通过来控制。所述用于金属带区如用于该第一带区12和第二带区13的磁化的电轨道(electrical tracks)，可以在该带区之上获得，也可以通过光刻技术获得。用于金属带区磁化的电轨道与金属带区电绝缘。
金属带区磁化的电轨道与该金属带区的绝缘，可以通过镀敷任何电绝缘材料层(如氧化物或者陶瓷材料)来实现。
在一可选用的实施例中，所述第一带区12和第二带区13可以镀敷在该半导体衬底11上蚀刻而形成的两个窗口处。该蚀刻工艺可以通过光刻技术、电子或者离子束手段或者纳米印刷(nano-imprinting)的方法实现。
图3表示本发明另一实施例的磁场检测器件30。
所述器件30包括：镀敷在半导体衬底11上的两个硬铁磁材料制的第一带区32和一个软磁材料制的第二带区33，在该两个第一带区32和第二带区33之间确定自由衬底11的两个区域34。
该第二带区33构成一个绝缘的小片(platelet)，它提供了一个对外部磁场敏感的元件，该元件可具有任意的几何形状和尺寸。所述器件的灵敏度取决于所述小片即第二带区33的几何参数。
图4表示本发明又一实施例的磁场检测器件40，其中，电流方向相对于磁化轴方向正交。为此，给衬底11提供电流的电极45沿着一轴线敷设，该轴线与由第一带区12和第二带区13确定的轴线正交。
相对于现有技术的解决方案，上述的本发明的解决方案具有明显的优势。
本发明的器件的优点在于采用平面几何设计，无需采用昂贵的工艺而可轻易制成，同时可得到高灵敏度。
当然，在不改变本发明的基本原理的情况下，具体的细节及实施例可与上述的示例不同，只要不因此脱离本发明的范围。
一种磁场检测器件，包括：与半导体材料制成的元件相结合的硬磁材料制成的元件和软磁材料制成的元件；在所述半导体材料中驱动电流的元件，其中所述硬磁材料制成的元件和软磁材料制成的元件在所述半导体材料制成的元件上平面地设置，它们可以作为磁场传感器或者磁开关、电磁辐射传感器、电磁辐射发射器、光电池以及热光电池。

Claims (13)

1.一种磁场检测器件，至少包括：与半导体材料制成的元件(11)相结合的硬磁材料制成的元件(12)和软磁材料制成的元件(13)，在所述半导体材料(11)中驱动电流(I)的元件(15、45)，其特征在于：所述硬磁材料制成的元件(12)和软磁材料制成的元件(13)平面地设置在所述半导体材料制成的元件(11)上。
2.如权利要求1所述的器件，其特征在于：所述硬磁材料制成的元件(12)相对于所述软磁材料制成的元件(13)隔开距离，以确定一个半导体材料区域(14、24、34)。
3.如权利要求1或2所述的器件，其特征在于：所述半导体材料区域(24)包括含有金属或半导体原子簇的聚合材料。
4.如权利要求3所述的器件，其特征在于：所述聚合材料镀敷在衬底(11)的所述半导体材料区域(24)上。
5.如权利要求2所述的器件，其特征在于：它至少包括两个硬磁材料制成的元件(12)，它们设置在一个软磁材料制成的元件(13)周围，并确定至少两个半导体区域(34)。
6.如前述的权利要求中至少一项所述的器件，其特征在于：所述硬磁材料制成的元件(12)和/或所述软磁材料制成的元件(13)包含多个层。
7.如前述的权利要求中一项或多项所述的器件，其特征在于：至少一个所述硬磁材料制成的元件(12)和一个软磁材料制成的元件(13)镀敷在多个通过蚀刻半导体衬底(11)而开出的窗口中。
8.如前述的权利要求中至少一项所述的器件，其特征在于：在所述半导体材料(11)中驱动电流(I)的元件(15、45)包含若干金属接点。
9.如权利要求8所述的器件，其特征在于：所述金属接点(45)基本上垂直于由所述至少一个硬磁材料制成的元件(12)和一个软磁材料制成的元件(13)确定的轴线而设置。
10.如前述的权利要求中至少一项所述的器件，其特征在于：至少一个所述硬磁材料制成的元件(12)包含一种硬铁磁性合金，尤其是CoNi80Fe20，且所述软磁材料制成的元件(13)包含坡莫合金。
11.如前述的权利要求中至少一项所述的器件，其特征在于：所述衬底(11)用Si、Ge、InSb、Hg(Cd)Te、InAs、TiC、GaAs、SiC、GaP、GaN中的至少一种半导体实现。
12.如前述的权利要求中至少一项所述的器件，其特征在于：所述衬底(11)以具有二维边界的异质结构，尤其是GaAs/AlGaAs异质结构的形式实现。
13.一种磁场检测方法，至少提供一个结合于永久磁化(MP)的硬磁材料制成的元件(12)和一个结合于由外部磁场(H)感应的暂时磁化(MT)的软磁材料制成的元件(13)，其特征在于还包括以下操作：
-将硬磁材料制成的元件(12)和软磁材料制成的元件(13)设置成使暂时磁化(MT)和永久磁化(MP)各自基本处在一个平面上；
-在将位于所述硬磁材料制成的元件(12)和所述软磁材料制成的元件(13)之间的所述平面上的半导体材料区域(14)内驱动电流(I)；
-测量所述半导体材料区域(14)中的电阻值，该值与由外部磁场(H)呈现的值相对应。
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