датчик магнитного поля

Формула изобретения

1. Датчик магнитного поля, включающий в себя полупроводниковый элемент (10, 50) датчика с активной областью (14е, 53е), в которой в ходе работы формируется сигнал в ответ на магнитное поле, отличающийся тем, что элемент (10, 50) датчика (a) находится, по меньшей мере частично, в режиме беспримесной проводимости при отсутствии смещения и при нормальной рабочей температуре; (b) включает в себя переход (36, 110), который является смещаемым для уменьшения беспримесной проводимости в активной области (14е, 53е) и ограничения носителей заряда преимущественно только одним типом в соответствии с насыщенным примесным режимом, и (c) включает в себя средство для детектирования сигнала, сформированного в активной области (14е, 53е) в ответ на приложенное магнитное поле.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что переход представляет собой исключающий контакт (36) для исключения неосновных носителей из активной области (14е).

3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что исключающий контакт (36) является гомопереходом между материалами из антимонида индия с различной концентрацией легирующей примеси.

4. Датчик по п.2, отличающийся тем, что исключающий контакт (36) является гетеропереходом между антимонидом индия (12) и материалом (40,41), имеющим большую ширину запрещенной зоны, чем антимонид индия.

5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что он является крестообразным датчиком на основе эффекта Холла с центральной активной областью (14е), от которой простираются четыре ответвления (14a-14d), причем по меньшей мере одно ответвление (например, 14а) подсоединено к исключающему контакту (например, 16а) для уменьшения концентрации неосновных носителей в активной области при смещении, при этом первая пара ответвлений (14а, 14с) является присоединенной к источнику тока, а вторая пара ответвлений (14b, 14d) является присоединенной к устройству, измеряющему напряжение Холла.

6. Датчик по п.5, отличающийся тем, что каждое из второй пары ответвлений (53b, 53d) имеет сужающуюся часть, граничащую с центральной активной областью (53е).

7. Датчик по п.5, отличающийся тем, что каждое ответвление (например, 14а) подсоединено к соответствующему исключающему контакту (например, 16а).

8. Датчик по п.1, отличающийся тем, что переход является экстрагирующим переходом (110) для экстракции неосновных носителей из активной области (53е).

9. Датчик по п.8, отличающийся тем, что экстрагирующий переход (110) является переходом между двумя областями датчика из материалов, имеющих различный тип основных носителей и различную ширину запрещенной зоны.

10. Датчик по п.8, отличающийся тем, что экстрагирующий переход (110) является a) достаточно толстым для предотвращения туннелирования через него электронов; и b) достаточно тонким для того, чтобы избежать релаксирующей деформации в материалах, связанных с ним.

11. Датчик по п.9, отличающийся тем, что экстрагирующий переход (110) представляет собой гетеропереход антимонида индия (53) n-типа и In_1-xAl_xSb (54), где х находится в диапазоне от 0,1 до 0,5.

12. Датчик по п.10, отличающийся тем, что х находится в диапазоне от 0,15 до 0,2.

13. Датчик по п.11, отличающийся тем, что х, по существу, равен 0,15.

14. Датчик по п.8, отличающийся тем, что он имеет крестообразную форму с центральной активной областью (53е), от которой простираются четыре ответвления (53a-53d), причем ответвления имеют четыре последовательно нанесенных слоя (64, 66, 53, 54), из которых два соседних слоя являются слоями с основными носителями одного типа, и два других соседних слоя являются слоями с основными носителями другого типа, при этом экстрагирующий переход (110) является гетеропереходом между слоем (53) активной области и другим слоем (66) с другой шириной запрещенной зоны и другим типом основных носителей, первая пара ответвлений (14а, 14с) является подсоединенной к источнику тока, вторая пара ответвлений (14b, 14d) является подсоединенной к устройству, измеряющему напряжение Холла, и экстрагирующий переход (110) является смещаемым в обратном направлении с помощью подсоединения подложки датчика.

15. Датчик по п.14, отличающийся тем, что четыре последовательно нанесенных слоя (64, 66, 53, 54) являются -структурой.

16. Датчик по п.14, отличающийся тем, что каждое ответвление (53b, 53d) второй пары ответвлений имеет сужающуюся часть, граничащую с центральной областью (53е).

17. Датчик по п.14, отличающийся тем, что в каждом ответвлении (53b, 53d) второй пары ответвлений имеется контактная область, примыкающая к центральной активной области (53е) и составляющая менее 10% от ширины ответвления каждого ответвления из первой пары ответвлений (53а, 53с).

18. Датчик по п.8, отличающийся тем, что он скомпонован для протекания тока экстракции в направлении, по существу, перпендикулярном отклонению носителей заряда за счет магнитного поля при нормальной работе.

19. Датчик по п.1, отличающийся тем, что переход (514/520) является экстрагирующим, и активная область является областью р-типа.

20. Датчик по п.1, отличающийся тем, что активная область представляет собой структуру квантовой ямы (510/512/514).

21. Датчик по п.20, отличающийся тем, что он включает в себя -легированный слой, расположенный так, чтобы являться доминантным источником носителей заряда для структуры квантовой ямы (510/512/514).

22. Датчик по п.20 или 21, отличающийся тем, что он является диодной структурой вида квантовая яма-.

23. Датчик по п.1, отличающийся тем, что он включает в себя -легированный слой, расположенный так, чтобы являться доминантным источником носителей заряда для активной области.

24. Датчик по п.23, отличающийся тем, что он является диодной структурой вида .

25. Способ детектирования магнитного поля, отличающийся тем, что он включает в себя следующие стадии: a) обеспечение наличия датчика магнитного поля, включающего в себя полупроводниковый элемент (10, 50) датчика с активной областью (14е, 53е), в которой в ходе работы формируется сигнал в ответ на магнитное поле, причем элемент (10, 50) датчика находится, по меньшей мере частично, в режиме беспримесной проводимости при нормальной рабочей температуре, в случае отсутствия смещения и включает в себя переход (36, 110), который является смещаемым для уменьшения беспримесного вклада в проводимость в активной области (14е, 53е) и ограничения носителей заряда преимущественно только одним типом в соответствии с насыщенным примесным режимом; b) смещение активной области датчика и перехода (36, 110) для обеспечения потока носителей заряда в активной области и работы датчика в соответствии с насыщенным примесным режимом, и приложение магнитного поля к активной области (14е, 53е); и c) детектирование сигнала, сформованного активной областью (14е, 53е), по меньшей мере частично, в ответ на магнитное поле.

26. Способ детектирования магнитного поля по п.25, отличающийся тем, что стадия смещения активной области датчика проводится при постоянном напряжении, и стадия детектирования сигнала включает в себя детектирование сигнала напряжения.

27. Способ детектирования магнитного поля по п.25, отличающийся тем, что датчик представляет собой датчик на основе эффекта Холла, стадия смещения активной области датчика включает в себя приложение к ней постоянного тока, и стадия детектирования сигнала включает в себя детектирование сигнала тока.

Описание изобретения к патенту

Это изобретение относится к датчику магнитного поля из полупроводникового материала.

Перед рассмотрением предшествующего уровня техники будут рассмотрены полупроводниковые свойства. Полупроводниковые датчики магнитного поля действуют на основе электрических эффектов переноса, и, вообще говоря, существует три важных режима проводимости: ненасыщенный примесный, насыщенный примесный и беспримесный (собственный), и они имеют место при низкой, средней и высокой температуре соответственно. В ненасыщенном примесном режиме существующая тепловая энергия недостаточна для ионизации всех примесей, и концентрация носителей зависит от температуры из-за того, что при увеличении температуры ионизируется больше примесей. Носители активизируются из легирующих примесей одного вида, доноров или акцепторов. Проводимость имеет место по существу благодаря одному виду носителей в одной зоне, т.е. электронов в зоне проводимости или дырок в валентной зоне, но не обоих сразу. Насыщенный примесный режим является аналогичным, но имеет место при более высоких температурах, когда фактически все примеси становятся ионизованными, но недостаточная тепловая энергия является пригодной для ионизации значительного числа состояний валентной зоны для создания электронно-дырочных пар: здесь концентрация носителей в основном не зависит от температуры.

В беспримесном режиме в проводимость вносит существенный вклад тепловая ионизация состояний валентной зоны, дающая оба типа носителей, т.е. электронно-дырочные пары в дополнение к носителям одного типа, активизированным из примесей. Проводимость существует за счет обоих видов носителей в обоих зонах, т.е. электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Проводимость изменяется с температурой в этом режиме, потому что концентрация электронно-дырочных пар зависит от температуры. Существует зона промежуточного перехода между режимами примесной и беспримесной проводимости, где проводимость частично является примесной и частично является собственной, что приводит к увеличению количества заряженных носителей одного типа по сравнению с другим, т.е. имеются основные носители и неосновные носители, как это происходит, например, в Ge при температуре окружающей среды или близкой к ней, в зависимости от легирования. Начальная температура для примесной проводимости зависит от ширины запрещенной энергетической зоны и концентрации легирующей примеси; она может быть ниже температуры окружающей среды вплоть до 150К для узкозонных полупроводников с низким содержанием легирующей примеси.

Такие материалы, как Si и GaAS с насыщенным примесным режимом при комнатной температуре являются предпочтительными для применения в датчике магнитного поля, несмотря на худшие свойства подвижности, благодаря тому, что эффект Холла или сопротивление в основном не должны зависеть от температуры. По аналогии с Ge, который при достаточной очистке является беспримесным (т.е. проявляет собственную проводимость) при температуре окружающей среды, слабо легированный Si иногда считают ложно беспримесным, так как это имеет место в регулируемых резистивных диодах (PIN диодах), где I область с высоким удельным сопротивлением (“беспримесная”) в действительности является при температуре окружающей среды примесной областью. Самый чистый Si, доступный в настоящее время, имеет примесей на порядок больше, чем требуется для того, чтобы быть беспримесным при температуре окружающей среды.

Датчики магнитного поля, использующие полупроводниковые материалы, известны на протяжении многих лет. Они включают в себя:

(a) магнитно-резистивные датчики, которые изменяют электрическое сопротивление в ответ на приложенное магнитное поле, и

(b) датчики на основе эффекта Холла, откликом которых на магнитное поле служит появление напряжения, пропорционального току датчика и напряженности поля.

Электрическое сопротивление R_M магнитно-резистивного датчика с примесным полупроводником в магнитном поле В дается формулой

где - подвижность носителей заряда и R₀ - сопротивление датчика в отсуствие магнитного поля.

Магнитно-резистивный вклад в уравнении (1) составляет ²В²R₀ и меняется в зависимости от квадратов подвижности и магнитного поля.

Традиционное устройство датчика магнитного поля на основе эффекта Холла состоит из прямоугольного блока из полупроводникового материала, в котором проходит продольный ток в поперечном магнитном поле: это дает напряжение Холла _H, перпендикулярное по отношению и к полю, и к току: для примесного полупроводника, расположенного таким образом, V_H выражается следующей формулой:

где Е_у - электрическое поле (напряженность), возникающая в результате эффекта Холла;

t_y - размер полупроводника по толщине, в направлении которой измеряется V_H;

n - концентрация носителей заряда;

е - заряд на каждом носителе заряда (отрицательный для электронов, положительный для дырок);

j_x - плотность тока в полупроводнике на единицу площади поперечного сечения;

В_z - магнитное поле; и

индексы х, у, z обозначают оси координат х, у и z и направления параметров, к которым они добавлены.

Для примесного режима с одним типом носителей заряда коэффициент Холла R_H определяется как

Ситуация является более сложной, чем показывает уравнение (3), если полупроводник находится в беспримесном режиме с двумя типами носителей заряда.

Проводимость материала задается формулой

=ne_c (4)

где _с - подвижность за счет проводимости.

Величина подвижности носителей заряда _H, определяемая как холловская подвижность, может быть получена при перемножении уравнений (3) и (4), т.е.

_H=R_H (5)

Если проводимость является примесной, холловская подвижность отличается от подвижности за счет проводимости на численную величину, которая зависит от механизма рассеяния (релаксации) носителей. Однако холловская подвижность и подвижность за счет проводимости следуют одним и тем же общим принципам и далее будут считаться равными и обозначаться как . Если проводимость является беспримесной (собственной), выражение для коэффициента Холла является более сложным и зависит от магнитного поля.

Для простоты измерений требуется значительное напряжение Холла. Оно может быть достигнуто при использовании высокой плотности тока, которая требует низкого удельного сопротивления для ограничения рассеяния энергии и, следовательно, высокой подвижности носителей. Также для магнитно-резистивных датчиков требуется иметь высокую подвижность носителей для уменьшения сопротивления и, следовательно, затрат энергии и для увеличения чувствительности магнитно-резистивных датчиков по отношению к магнитному полю, которая, как было сказано, изменяется в зависимости от квадрата подвижности согласно уравнению (1). Узкозонные полупроводники, такие как InSb или InAs, наилучшим образом удовлетворяют этому критерию подвижности. InSb имеет электронную подвижность _е=8 м²/Вс, примерно в десять раз большую, чем GaAs, для которого подвижность составляет 0,85 м²/Вс, что, в свою очередь, лучше, чем подвижность Si.

Несмотря на отличные свойства подвижности, узкозонные полупроводники в основном не используются в датчиках на основе эффекта Холла или в магнитно-резистивных датчиках, так как они являются беспримесными при температуре окружающей среды. Это проявляется в низких значениях коэффициента Холла и напряжения Холла, а также в изменении напряжения Холла и сопротивления датчика с температурой. Это приходит в противоречие с важным требованием, предъявляемым к датчику магнитного поля, а именно его отклик на магнитное поле должен быть относительно нечувствительным к температурным изменениям. Другое следствие беспримесного режима состоит в том, что эффект Холла является нелинейным по отношению к магнитному полю (магнитно-резистивные свойства изменяются в соответствии с квадратом магнитного поля, причем независимо от режима). Эти проблемы наложили ограничения на использование узкозонных полупроводников в датчиках магнитного поля, действующих при комнатной температуре (290К) или выше: в частности, необходимо, чтобы они были сильно легированными для уменьшения температурной зависимости концентрации носителей (т.е., чтобы сделать их примесными). Это приводит к тому, что теряет смысл цель их использования, потому что это уменьшает подвижность носителей и значительно противодействует осуществлению преимуществ.

Традиционные датчики магнитного поля действуют в насыщенном примесном режиме, где концентрация носителей является в большой степени постоянной, и не происходят нежелательные изменения в сопротивлении и эффекте Холла. Температурная зависимость сопротивления и эффект Холла возникают, однако из-за уменьшения подвижности с ростом температуры, связанного с увеличенным фононным рассеянием и начальным электронно-дырочным рассеянием.

Датчики магнитного поля предшествующего уровня техники были основаны на технологии получения кремния, которая была физически трудоемкой и широко использовалась в транспортной индустрии в жестких внешних условиях. Они используются, например, в бесщеточном приводном электродвигателе компакт-диска (CD), где первостепенным является низкий уровень шума. Однако проблемой является зависимость их чувствительности от температуры и, кроме того, их чувствительность является неадекватной для некоторых применений.

Цель настоящего изобретения - создание альтернативной формы датчика магнитного поля.

В настоящем изобретении предложен датчик магнитного поля, включающий в себя полупроводниковый элемент датчика с активной областью, в которой при работе формируется (генерируется) сигнал в ответ на магнитное поле, отличающийся тем, что элемент датчика:

(a) находится, по меньшей мере частично, в режиме беспримесной (собственной) проводимости при отсутствии смещения и при нормальной рабочей температуре;

(b) включает в себя переход, который является смещаемым для уменьшения беспримесной проводимости в активной области и ограничения носителей заряда преимущественно только одним типом в соответствии с насыщенным примесным режимом, и

(с) включает в себя средство для детектирования (обнаружения) сигнала, сформированного в активной области (14е, 53е) в ответ на приложенное магнитное поле.

Смещаемые р-n переходы такого вида, как описанный выше, известны к настоящему времени в фотодиодах из патента США №5016073.

Данное изобретение обеспечивает преимущество, которое состоит в том, что датчики магнитного поля изготавливаются из материала с высокой подвижностью, до настоящего времени считавшегося неподходящим из-за беспримесной проводимости. Кроме того, в случае датчика на основе эффекта Холла возможно получать улучшенную линейность эффекта Холла как функцию магнитного поля: это является следствием уменьшения беспримесной проводимости, т.е. удаления электронов и дырок в равных количествах и изменения проводимости как в валентной зоне, так и в зоне проводимости по отношению к проводимости по существу в одной зоне за счет только одного носителя. На практике беспримесная проводимость полностью не исключается, но уменьшается до пренебрежимо малых пропорций.

Смещаемый переход может представлять собой исключающий контакт для исключения неосновных носителей из активной области, а может быть гомопереходом между материалами из антимонида индия с разными концентрациями легирующих примесей или гетеропереходом между антимонидом индия и материалом, имеющим большую ширину запрещенной зоны, чем антимонид индия.

Датчик может быть крестообразным датчиком на основе эффекта Холла с центральной областью, от которой простираются четыре ответвления, причем по меньшей мере одно ответвление подсоединяется к исключающему контакту для уменьшения концентрации неосновных носителей в активной области при смещении (подаче напряжения смещения), при этом первая пара ответвлений присоединяется к источнику тока, а вторая пара ответвлений присоединяется к устройству, измеряющему напряжение Холла. Каждое ответвление может подсоединяться к соответствующему исключающему контакту, и каждое ответвление второй пары может иметь сужающуюся часть, расположенную по соседству с центральной областью.

Смещаемый переход может быть экстрагирующим переходом для экстракции неосновных носителей из активной области. Это может быть переход между двумя областями датчика из материалов, имеющих различный тип основных носителей и различную ширину запрещенной зоны, а также переход должен иметь достаточную толщину для предотвращения электронного туннелирования и быть достаточно тонким для того, чтобы избежать релаксирующей деформации в материалах, связанных с ним. Это может быть гетеропереход между InSb n-типа и In_1-xAl_xSb, где х лежит в диапазоне от 0,1 до 0,5, или от 0,15 до 0,2, или по существу равен 0,15.

Датчик может иметь крестообразную форму с четырьмя ответвлениями и центральной областью и может иметь четыре последовательно осажденных слоя, из которых два соседних слоя имеют один тип основных носителей, и два других соседних слоя имеют другой тип основных носителей, при этом переход может быть гетеропереходом между слоем активной области и другим слоем с другой шириной запрещенной зоны и другим типом основных носителей, причем первая пара ответвлений присоединяется к источнику тока, вторая пара ответвлений (14b, 14d) присоединяется к устройству для измерения напряжения Холла, причем переход является экстрагирующим переходом, смещаемым в обратном направлении, с помощью подсоединения подложки датчика. Четыре последовательно осажденных слоя могут иметь структуру , и вторая пара ответвлений может иметь сужающуюся часть, расположенную по соседству с центральной областью. Вторая пара ответвлений может иметь контактную область, которая примыкает к центральной области и составляет менее 10% ширины каждого ответвления первой пары ответвлений.

Переход может быть расположен для выделения потока тока в направлении, по существу ортогональном отклонению носителей заряда за счет магнитного поля при нормальной работе.

Активная область в датчике может быть р-типа и иметь экстрагирующий смещаемый переход. Он (датчик) может быть снабжен доминантным источником носителей заряда в форме слоя с -легирующими примесями. Он может включать в себя квантовую яму, создающую в нем путь тока. Сам датчик может быть диодной структурой вида - квантовая яма .

Альтернативно, датчик может иметь диодную структуру вида .

В другом своем аспекте настоящее изобретение предлагает способ детектирования магнитного поля, отличающийся тем, что он включает в себя следующие стадии:

а) обеспечение наличия датчика магнитного поля, включающего в себя полупроводниковый элемент датчика с активной областью, в которой в ходе работы формируется (генерируется) сигнал в ответ на магнитное поле, причем элемент датчика находится, по меньшей мере частично, в режиме беспримесной проводимости при нормальной рабочей температуре в случае отсутствия смещения и имеет переход, который является смещаемым для уменьшения беспримесного вклада в проводимость в активной области и ограничения носителей заряда преимущественно только одним типом в соответствии с насыщенным примесным режимом;

b) смещение активной области датчика и перехода для обеспечения потока носителей заряда в активной области и работы датчика в соответствии с насыщенным примесным режимом, и приложение магнитного поля к активной области; и

c) детектирование сигнала, сформированного активной областью, по меньшей мере частично, в ответ на магнитное поле.

Стадия смещения активной области датчика может проводиться при постоянном напряжении, и стадия детектирования сигнала включает в себя детектирование сигнала напряжения.

Датчик может быть датчиком на основе эффекта Холла, причем стадия смещения активной области датчика включает в себя приложение к ней постоянного тока, а стадия детектирования сигнала включает в себя детектирование сигнала тока.

Для того чтобы изобретение было более понятным, теперь исключительно с помощью примера будут описаны его варианты реализации со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 представляет собой схематичный вид датчика магнитного поля согласно изобретению в форме устройства на основе эффекта Холла;

фиг.2 представляет собой вид сечения по линии II-II фиг.1;

фиг.3 представляет собой энергетическую зонную структуру датчика фиг.1 и 2;

фиг.4 показывает энергетическую зонную структуру другого датчика согласно изобретению;

фиг.5 иллюстрирует еще один датчик согласно изобретению;

фиг.6 представляет собой сечение по линии VI-VI фиг.5;

фиг.7 представляет собой энергетическую зонную диаграмму для датчика фиг.5;

фиг.8 иллюстрирует центральную область датчика фиг.5;

фиг.9 дает другую геометрию для датчика, показанного на фиг.5;

фиг.10 иллюстрирует вклады в электронную подвижность в материале InSb n-типа при различных условиях работы датчика;

фиг.11 иллюстрирует воздействие изменения температуры на коэффициент Холла R_H для равновесного и экстрагированного InSb;

фиг.12 представляет собой иллюстрацию изменения коэффициента Холла R_H при изменении плотности магнитного потока как для равновесного, так и для экстрагированного InSb;

фиг.13 представляет собой цепь для датчика фиг.1;

фиг.14 представляет собой цепь для датчика фиг.5;

фиг.15 представляет собой вид сечения датчика магнитного поля согласно изобретению в форме магнитно-резистивного устройства; и

фиг.16 представляет собой вид сечения магнитно-резистивного датчика согласно изобретению, включающего в себя квантовую яму.

Со ссылкой на фиг.1 и 2 показан датчик 10 магнитного поля на основе эффекта Холла согласно данного изобретения, изображенный в плане и в сечении соответственно. Он включает в себя крестообразный слой 12 из антимонида индия (InSb) n-типа с четырьмя ответвлениями с 14а по 14d (общее обозначение - 14), идущими от квадратной центральной области 14е, причем ответвления 14а и 14с являются ортогональными (перпендикулярными) по отношению к ответвлениям 14b и 14d. Периферийные по длине части ответвлений 14 покрыты областями с 16а по 16d (общее обозначение - 16), каждая из которых состоит из слоя InSb n-типа с соответствующим обозначением от 17а до 17d (общее обозначение - 17), на которых располагаются алюминиевые (Аl) электроды с 18а по 18d (общее обозначение 18) соответственно. Верхний индекс “+” в обозначении “n⁺” означает намного более высокую концентрацию легирующей примеси, чем в слое 12.

Датчик 10 имеет изолирующую подложку 20 из сапфира, кремния с высоким удельным сопротивлением (> 50 Ом/на площадь) или изолирующего GaAs. Как проиллюстрировано, слой 12 InSb прикрепляется к подложке 20 с помощью клея 22, или альтернативно, может быть выращен непосредственно на подложке, как полуизолирующий GaAs. Каждый из четырех электродов 18 создает омический контакт с соответствующим слоем 17 InSb n⁺-типа и подсоединяется к соответствующему соединительному проводу 19.

Фиг.3 представляет собой диаграмму 30 энергетической зонной структуры для слоев 12 и 17 InSb n-типа и n⁺-типа соответственно. Она показывает зону 32 проводимости и валентную зону 34 для несмещенного n⁺n-перехода 36 между слоями 17 и 12, имеющими части 36b и 36d на фиг.2.

Датчик 10 работает следующим образом. Он представляет собой устройство с исключением неосновных носителей, в котором каждый слой 17 n⁺-типа формирует n⁺-гомопереход 36 с лежащим под ним слоем 12 n-типа. Как описывалось ранее, исключение носителей известно к настоящему моменту по отношению к фотодиодам из патента США 5016073, выданного Элиоту и Эшли (Elliot и Ashley). Напряжение смещения прикладывается между контактами 18а и 18с на взаимно противоположных ответвлениях 14а и 14с, при этом контакт 18а является положительным по отношению к контакту 18с. Контакты 18b и 18d на взаимно противоположных ответвлениях 14b и 14d являются детекторами напряжения для измерения напряжения Холла. Так как слой 17 n⁺-типа сильно легирован, он имеет пренебрежимо малую концентрацию неосновных носителей заряда (дырок). Следовательно, он способен принимать основные носители заряда (электроны) от слоя 12, но в основном не способен возвращать к нему неосновные носители (дырки) ввиду их нехватки в нем самом. n⁺n-Гомопереход 17а/12 или 36, следовательно, является исключающим контактом, т.е. электроны (основные носители) легко проходят от слоя 12 к слою 17а, но только намного меньший ток за счет дырок (неосновных носителей) течет в обратном направлении от слоя 17а к слою 12.

Кроме того, дырки удаляются из слоя 12 на противоположном n⁺n-гомопереходе между слоями 17с и 12. Впоследствии приложение напряжения смещения между контактами 18а и 18с приводит к тому, что концентрация неосновных носителей в слое 12 становится меньше, потому что дырки удаляются из него, но их количество полностью заново не пополняется. Концентрация основных носителей в этом слое может падать до такого же количества, как концентрация неосновных носителей заряда, полученная исходя из правила электронейтральности; следовательно, количество электронов и дырок уменьшается в равной степени, что уменьшает беспримесный вклад в проводимость слоя 12 (уменьшение примесного вклада будет действовать только на тип основных носителей). Исключенная область, т.е. область, где количество носителей заряда уменьшилось таким образом, проходит через слой 12 в ответвлениях 14b и 14d между слоями 17а и 17с n⁺-типа.

Электроды из материала Сr-Au могут использоваться вместо А1 электродов 18 за счет осаждения начального слоя Сr на слоях 17 n-типа, а затем на нем - более толстого слоя Au.

Как отмечено с помощью обозначений 39А - 39С, описанные ранее части которых имеют те же самые ссылочные позиции, каждый слой 17 InSb n⁺-типа может быть заменен слоем 40 материала -типа, или, альтернативно, двумя слоями, слоем 41 -типа и слоем 42 n⁺-типа; здесь подчеркивание (и позднее также ) обозначает материал с большей шириной запрещенной зоны, чем неподчеркнутый эквивалент; например, фиг.4 представляет собой диаграмму энергетической зонной структуры, показывающую последствия замещения слоя 17 слоем 40 материала -типа из In_1-xAl_xSb с х=0,15. Зона 43 проводимости и валентная зона 44 показаны для несмещенного -гетероперехода 46, сформированного между слоем 40 -типа и слоем 12 -типа из InSb.

Слой 40 -типа имеет низкую концентрацию неосновных носителей (дырок), потому что большая ширина его запрещенной зоны приводит к тому, что меньшее число электронно-дырочных пар возбуждаются тепловым образом, чем для материала с меньшей шириной запрещенной зоны. Напряжение смещения, приложенное между контактами 18а и 18с, удаляет дырки из слоя 12 n-типа, которые не могут быть замещены из слоя 40 -типа из-за их недостатка в последнем. Аналогичные замечания применимы к слоям 41 и 42.

Теперь со ссылкой на фиг.5 показан другой датчик 50 на основе эффекта Холла согласно настоящему изобретению. Он включает в себя крестообразную структуру 52 из антимонида индия (InSb) n-типа с четырьмя ответвлениями с 53а по 53d, идущими от квадратной центральной области 53е (общее обозначение - 53), причем ответвления 53а и 53с являются ортогональными по отношению к ответвлениям 53b и 53d. Периферийные по длине части ответвлений 53 покрыты соответствующими слоями с 54а по 54d из InSb n⁺-типа (общее обозначение - 54), на которых расположены алюминиевые (Аl) электроды (не показаны). Размеры ответвлений 53 и центральной области 53е обозначаются параметрами a, b и с, где:

a = длина ответвления 53 + сторона квадрата 53е

b = длина ответвления 53

с=а-b = ширина ответвления 53=стороне квадрата 53е

Фиг.6 представляет собой сечение по линии VI-VI на фиг.5, перпендикулярное к плоскости последней, показывающее структуру слоев датчика 50. Оно изображено без соблюдения масштаба. Датчик 50 содержит слой 64 толщиной 2 мкм из материала InSb p⁺-типа на подложке 62 из InSb или GaAs. Слой 64 “увенчивается” (т.е. покрыт) крестообразной структурой 52, которая содержит слой 66 толщиной 20 нм из материала In_1-xAl_хSb р⁺-типа со значением х в диапазоне от 0,1 до 0,5, предпочтительно от 0,1 до 0,2, например, 0,15. Слой 66 покрыт слоем 53 толщиной 0,5 мкм из InSb n-типа, из которого состоят ответвления и центральная часть 53. Электродные слои 54b и 54d на концах соответствующих ответвлений 53 имеют толщину 0,3 мкм и выполнены из InSb n⁺-типа. Слои 54 n⁺-типа, слой 53 n-типа и слой 66 -типа каждый имеют две торцевые поверхности, лежащие в соответствующих плоскостях 74 и 76 и соответствующие торцевым поверхностям ответвлений 53. Торцевые поверхности 74 и 76 примыкают к защитным слоям 78 оксида, сформированным на слое 64 из InSb р⁺-типа. С другой стороны, вместо защитного слоя оксида может быть использован слой полиамида. Все контактные слои 80 и 82 формируются на каждой области 54 из InSb n⁺-типа и на примыкающем к ней защитном слое 78 оксида. Подложка 62 имеет пятый омический контакт 84, который выполнен из алюминия.

Фиг.7 описывает зонную структуру датчика 50 в отсутствие какого-либо приложенного смещения и содержит зону 102 проводимости, валентную зону 104 и уровень 106 Ферми. Слои 54 n⁺-типа формируют четыре n⁺n-гомоперехода с ответвлениями 53 n-типа на первой границе раздела 108; ответвления n-типа и центральная область 53 формируют -гетеропереход со слоем 66 -типа на второй границе раздела 110; слой 66 -типа формирует -гетеропереход со слоем 64 р⁺-типа на третьей поверхности раздела 112.

Слой 66 -типа формирует барьер в зоне 102 проводимости, препятствующий потоку электронов из слоя 64 р⁺-типа к слою 53 n-типа и слою 54 n⁺-типа.

Датчик 50 действует следующим образом. Полупроводниковые слои 64, 66, 53 и 54 формируют четыре диодные структуры , из которых две показаны в сечении на фиг.6. Слои 64, 66 и 53 и -переход 110 являются общими для всех четырех диодов, но каждый имеет отдельный слой 54, как показано на фиг.5. -Переход 110 смещается в обратном направлении за счет приложения напряжения между электродом подложки 84 и одним из поверхностных электродов 80 или 82. Это оказывает значительное воздействие на экстракцию неосновных носителей из области 53 n-типа.

Принцип экстракции носителей известен из предшествующего уровня техники и описывается, например, в Европейском патенте ЕР 0167305 и патенте США 5016073. Он заключается в удалении неосновных носителей из полупроводниковой области с большей скоростью, чем они замещаются; это происходит при смещенном pn-переходе, к которому диффундируют неосновные носители и на котором они экстрагируются и теряются по отношению к области. Перенос носителей через границу раздела 110 -перехода содержит:

(а) ток проводимости основных носителей, обладающих достаточной тепловой энергией для преодоления потенциального барьера перехода; и

(b) диффузионный ток неосновных носителей, которые диффундируют к переходу и проходят через него благодаря разности потенциалов.

Таким образом, перенос носителей через границы раздела 110, 112 -перехода содержит:

(a) ток проводимости дырок из области 64 p⁺-типа в область 53 n-типа;

(b) диффузионный ток электронов из области 64 р⁺-типа в область 53 n-типа, он является очень малым, потому что существует малое количество электронов в областях р⁺ и ;

(c) ток проводимости электронов из области 53 n-типа в область 64 р⁺-типа, который также является очень малым; и

(d) диффузионный ток дырок из области 53 n-типа в область 64 р⁺-типа.

В следующем качественном описании работы пренебрежимо малые электронные токи не учитываются.

В отсутствие смещения электронные и дырочные токи проводимости и диффузионные токи через каждую границу раздела 108, 110, 112 сбалансированы, т.е. датчик 50 находится в равновесии. Напряжение смещения прикладывается поперек каждой из диодных структур таким образом, что -переход на границе раздела 110 смещается в обратном направлении, следовательно, неосновные носители (дырки) в крестообразном слое 53 n-типа, которые диффундируют к границе раздела 110, проходят через нее благодаря разности потенциалов (падению потенциала). В то же время эта разность потенциалов уменьшает поток дырок от слоя 66 к крестообразному слою 53. Следовательно, смещение в обратном направлении существенно уменьшает как ток проводимости электронов от крестообразного слоя 53 к области 64 p⁺-типа, так и ток проводимости дырок от области 64 р⁺-типа к крестообразному слою 53. Следовательно, дырки удаляются из области 53 n-типа путем диффузии и не могут быть полностью заменены за счет проводимости из области 64 ⁺-типа из-за потенциального барьера -перехода, смещенного в обратном направлении на границе раздела 110. Как отмечалось ранее, - это эффект экстрагирования неосновных носителей.

Крестообразный слой 53 n-типа принимает пренебрежимо малый ток дырок (неосновных носителей) от слоев 54 n⁺-типа, потому что концентрация дырок очень мала: это эффект исключения неосновных носителей. Следовательно, дырки в слое 53, диффундирующие к границе раздела 110 и экстрагированные к слою 66 -типа, не могут быть адекватно восполнены из слоев 54 n⁺-типа, и, следовательно, концентрация неосновных носителей в крестообразном слое 53 уменьшается. Как описано ранее, исходя из необходимости соблюдения электронейтральности концентрация основных носителей должна падать до такого же значения, как концентрация неосновных носителей, т.е. концентрации электронов и дырок падают одинаково в соответствии с уменьшением электронно-дырочных пар: следовательно, это уменьшает беспримесный вклад в проводимость крестообразного слоя 53.

При работе датчика 50 -переход 110 смещается в обратном направлении, и датчик 10 работает с током смещения, протекающим между противоположными парами контактов 16а/16с, при этом положительный контакт является исключающим. Оба датчика, 10 и 50, работают со слоями 12 и 53 n-типа, имеющими концентрации электронно-дырочных пар ниже равновесных; эти слои являются активными областями для измерений магнитного поля, и напряжения Холла детектируются через пары контактных слоев 16b/16d и 54b/54d. В датчике 10 концентрация носителей выше равновесной вблизи отрицательно смещенного контакта из-за аккумуляции носителей.

Фиг.8 представляет собой трехмерное изображение центральной квадратной секции 53е датчика 50 вместе с поддерживающим слоем 64 р⁺-типа и подложкой 62. Ответвления 53 отмечены пунктирными линиями. Оси декартовой системы координат показаны как 122 для использования при определении направлений магнитного поля и тока. Поверхность центральной квадратной секции 53е, находящаяся в плоскости XY, имеет пары сторон, параллельные осям Х и Y соответственно и перпендикулярные оси Z. Ток через датчик 50 имеет первую и вторую компоненту I_plane и обозначенные стрелками 124а и 124b. Первая компонента тока _plane течет параллельно оси Х по существу внутри слоя 53 n-типа и между противоположными ответвлениями 53а и 53с.

Вторая компонента тока течет параллельно оси Z и появляется в результате смещения границы раздела 110 -перехода. Строго говоря, ток не течет внутри области 53е, но состоит из четырех составляющих, протекающих к соответствующим конечным слоям 54 на ответвлениях 53 и включается в чертеж фиг.8 для простоты ссылок. Этот ток возникает из-за тепловой генерации носителей заряда в слое 53 n-типа, и, следовательно, связанный с ней поток дырок по существу является однородным в направлении, параллельном оси Z вниз к слою 66 -типа, в то время как поток электронов течет в боковом направлении и вверх к слоям 54 n⁺-типа, для электронов, происходящих из крестообразного слоя 53 n-типа и не непосредственно под областями 54 n⁺-типа.

Напряжение прикладывается между областями 54а и 54с для установления тока I_plane, который соответствует плотности тока j_x, текущего параллельно оси X. Еще раз ссылаясь на фиг.6, можно видеть, что датчик 50 подвергается действию электрических полей как экстракции, так и проводимости. Поле экстракции прикладывается между электродом подложки 84 и каждым из четырех конечных слоев с 54а по 54d на соответствующих ответвлениях. Поле проводимости прикладывается между первой парой конечных слоев 54а и 54с на противоположных ответвлениях. Поле экстракции приводит к росту компоненты тока которая является диодным током утечки, параллельным оси Z. Поле проводимости дает компоненту тока I_plane, имеющую плотность тока j_x, которая представляет собой преимущественно поток электронов в слое 53 n-типа, потому что граница раздела 110 -перехода действует как преграда для проникновения поля слоя 64 р-типа. Датчик 50 находится в магнитном поле B_Z, параллельном оси Z и, следовательно, ортогональном плоскости фиг.5. Ток I_plane и магнитное поле Bz формируют (генерируют) параллельное оси Y напряжение Холла в центральной области 53е, причем напряжение измеряется между второй парой конечных слоев 54b, 54d на соответствующих ответвлениях.

Ток I_plane по существу ограничивается слоем 53 n-типа, и напряжение Холла, соответственно, появляется внутри этого слоя. Однако за счет свойств экстракции и исключения носителей, присущих структурам -типа в датчике 50, беспримесный вклад в концентрацию носителей уменьшается, как описано выше. Проводимость и эффект Холла являются преимущественными благодаря примесной проводимости в насыщенном примесном режиме с концентрацией носителей, в основном не зависящей от температуры. Кроме того, экстракция уменьшает концентрацию носителей, что снижает электронно-дырочное рассеяние и это действует на подвижность носителей, которая, в свою очередь, становится менее чувствительной к изменениям температуры.

Со ссылкой на фиг.9 показана альтернативная форма датчика 128. Он соответствует датчику 50 (одинаковые части имеют подобные обозначения), за исключением того, что он имеет ответвления 53b и 53d, чувствительные к напряжению Холла, которые сужаются до ширины d по соседству с центральной частью 53е. Там, где сужения нет, все ответвления 53 имеют ширину с, причем ширина d меньше, чем с; d предпочтительно меньше, чем одна десятая с.

При работе датчика 50 неосновные носители экстрагируются из центральной области 53е. Поле смещения, приводящее к росту тока следовательно, должно экстрагировать носители заряда не только с концов ответвлений с 53а по 53d, но также со слоя 53 n-типа через центральную область 53е. Длина каждого ответвления с 53а по 53d вместе с центральным узлом 53е, т.е., размер а, должна быть достаточно короткой для того, чтобы экстракция могла простираться через ответвления 53а - 53d и центральный узел 53е. Однако длина пути, на протяжении которого наблюдается эффект Холла, должна быть достаточно большой для того, чтобы дать возможность носителям заряда отклоняться и генерировать измеряемый сигнал.

Ограничение в отношении датчика 10 состоит в необходимости избегать накопления заряда внутри центральной области 14е. Когда на конечные слои 16а и 16с ответвлений подано напряжение смещения, то заряд, накапливающийся на каком-нибудь из них, имеет отрицательное смещение по отношению к другому. Накопление должно происходить достаточно далеко от центральной области 14е для обеспечения того, чтобы не уменьшать исключение носителей. Следовательно, это обеспечивает минимальную длину для каждого ответвления 14а-14d (размер b на фиг.5), которая определяется условиями работы датчика и ограничивается длиной диффузии по направлению вверх L_d, которая определяется формулой

где Е = приложенное электрическое поле;

q = заряд носителя;

k - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура датчика; и

l - диффузионная длина носителя в нулевом поле.

Диффузионная длина носителя в нулевом поле 1 дается формулой

где D - коэффициент диффузии носителя заряда; и

- среднее время жизни носителя заряда.

В датчике 50 ток Холла I_plane подвергается воздействию диодного тока утечки Для уменьшения этого воздействия I_plane должно быть, предпочтительно, намного больше, чем Однако ток зависит от напряжения смещения V_bias в -структуре датчика 50, а V_bias должно быть достаточно большим для обеспечения эффективной экстракции. С другой стороны, I_plane может быть настолько большим, насколько это возможно в пределах, установленных за счет плотности мощности, которую датчик 50 может допускать. Это подразумевает малую площадь поперечного сечения, через которую течет ток I_plane, и достигается путем уменьшения высоты t_Z n-слоя и ширины с. Минимальная высота слоя 53 n-типа определяется шириной обедненной области, которую он должен поддерживать. Она изменяется в зависимости от уровня легирующей примеси и величины напряжения смещения. Таким образом, для данного уровня легирующей примеси и силы смещения только ширина со стороны крестообразной конструкции 53 является оставшимся изменяемым параметром. Подходящие значения с будут обсуждаться позднее.

Аналогичные замечания применимы к датчику 10, для которого напряжение смещения должно быть достаточно большим для обеспечения адекватного исключения носителей.

Датчики 10 и 50 показывают улучшенную работу по сравнению с равновесными устройствами предшествующего уровня техники, как показано графически на фиг.10-12. Эти чертежи базируются на вычислениях, подразумевающих слой 53 из InSb n-типа с концентрацией донорных примесей 10¹⁶ см^-3. Они включают в себя вклад воздействий на эффект Холла как электронов, так и дырок и, следовательно, являются более сложными, чем приближения, данные ранее. Концентрация носителей и, следовательно, также коэффициент Холла в датчиках 10 и 50 не являются полностью не зависящими от температуры, но их изменение является достаточно небольшим (приблизительное изменение на 30-40% при изменении температуры на 50К) для ряда применений. Примеры, описанные ниже, улучшают эти значения.

В датчике, где вклад в удельную проводимость вносят носители от более чем одной зоны, т.е., как электроны, так и дырки, выражения для напряжения Холла V_H являются более сложными и зависят от магнитного поля (см., например, кн. “Hall Effect and Semiconductor Physics” E.H.Putley, опубликованную Butterworth and Co., 1960, Chapter 4). Зависимость от магнитного поля является более заметной на материалах с более высокой подвижностью, чем у кремния.

Из уравнений (2) и (3), подставляя выражение для плотности тока

где t_z - размер датчика по толщине в направлении, параллельном магнитному полю,

I_x - продольный ток датчика, ортогональный магнитному полю и полю Холла, а другие параметры определяются ранее.

На фиг.10 изображаются четыре кривые 132-138 подвижности электронов _е в зависимости от температуры для InSb n-типа для различных механизмов рассеяния и условий работы. Здесь иллюстрируется температурная чувствительность коэффициента Холла R_H для узкозонных полупроводников, когда и электроны, и дырки вносят вклад в проводимость. Первая кривая 132 соответствует подвижности, на которую влияет только рассеяние за счет ионизированных примесей и электронно-дырочных взаимодействий. Вторая кривая 134 показывает температурное изменение такой компоненты подвижности, которая подвергается воздействию только оптического фононного рассеяния. Третья кривая 136 показывает подвижность носителей, возникающую за счет суммирования вкладов, приводящих к возникновению первой и второй кривых 132, 134. Эти три кривые 132, 134 и 136 были получены на основе равновесной концентрации носителей. Четвертая кривая 138 представляет собой изменение подвижности _е с температурой Т, когда был экстрагирован беспримесный вклад в проводимость.

Сравнение кривых 136 и 138 показывает преимущество эффекта экстракции носителей для датчиков в соответствии с данным изобретением, потому что экстракция увеличивает подвижность при температурах выше приблизительно 250К: различие между равновесной кривой 136 и кривой 138 экстрагирования становится более заметным при более высоких температурах, что приводит к большим значениям коэффициента Холла и усилению магнитно-резистивных свойств. Сравнение градиентов этих двух кривых показывает, что изменение подвижности с температурой Т также слегка уменьшается за счет экстракции. Это уменьшает температурную зависимость коэффициента Холла и магнитно-резистивных свойств.

На фиг.11 изображаются две кривые 142 и 144 для коэффициента Холла R_H в зависимости от температуры для полупроводника InSb в магнитном поле величиной 0,3Т при равновесных условиях и экстракции соответственно. На равновесной кривой 142 R_H падает приблизительно на два порядка величины в интервале между 150 и 500К. Вторая кривая 144 представляет собой вариацию R_H с температурой для датчика 50 при воздействии экстракции неосновных носителей в соответствии с изобретением; здесь R_H по существу не зависит от температуры в том же самом интервале, наглядно демонстрируя преимущество датчиков согласно изобретению в отношении их нечувствительности к температуре.

Фиг.12 показывает четыре кривые 152, 154, 156 и 158 для коэффициента Холла R_H в зависимости от приложенного магнитного поля как для равновесного, так и для экстрагированного InSb при различных температурных условиях. Она иллюстрирует чувствительность R_H к магнитному полю для узкозонных полупроводников в беспримесном режиме, когда и электроны, и дырки вносят вклад в проводимость. Кривая 152 построена для датчика согласно изобретению с экстракцией и показывает, что R_H является, по меньшей мере в существенной степени, независимым от магнитного поля. Кривая 154 построена для датчика при равновесных условиях и температуре 200К и показывает, что R_H только слегка зависит от поля – наблюдается падение приблизительно на 3% между 0,1 и 1,5Т. Кривые 156 и 158 построены для датчика при равновесных условиях и температуре 300 и 400К соответственно. Они показывают, что _H меняет знак и между 0,1 и 1,5Т спадает от +200 до -10 см³/К в одном случае и от +30 до -50 см³/К в другом случае. Это показывает преимущество датчиков согласно изобретению по отношению к воздействию магнитного поля.

Параметры датчиков согласно изобретению, которые воздействуют на их работу, являются следующими:

(a) диапазон рабочих температур датчика: плотность тока датчика увеличивается с рабочей температурой (например, 370К), что может приводить к появлению носителей заряда с энергией, достаточной для преодоления барьера на границе раздела 110;

(b) состав In_1-xAl_xSb в барьерном слое 66: табл. 1 внизу показывает плотность тока утечки как функцию рабочей температуры датчика для ряда материалов барьера (величин х) и концентрации доноров _d;

(c) электрические токи: диодный ток утечки предпочтительно составляет 1% от тока Холла I_plane, хотя приемлемая точность измерения датчика может быть получена с током составляющим приблизительно 10% от тока I_plane;

(d) концентрация легирующей примеси слоя 53 n-типа: она ограничивает максимальный ток;

(с) плотность мощности: она должна быть ограничена поддерживаемым уровнем внутри слоя 53 для того, чтобы избежать теплового ухода, например, она составляет приблизительно 100 Вт/см². Для датчика 50 плотность мощности P_d дается формулой

где I_plane - ток, протекающий в плоскости слоя 53;

е - заряд носителя;

n - концентрация носителей;

- подвижность носителя в слое 53;

l - длина пути тока в датчике; и

t_z - толщина слоя 53;

(f) прикладываемые напряжения: в дополнение к напряжению Холла V_H два других напряжения связаны с датчиком 50: напряжение V_bias (например, 0,5 В) между электродом подложки 84 и электродом 80 или 82 ответвлений смещает в обратном направлении -переход 110; напряжение V_drive между противоположными ответвлениями 53а и 53с управляет током I_plane. Напряжение V_bias экстрагирует термически генерируемые носители заряда из области n-типа, при этом оно влияет на толщину истощенного слоя экстрагирующего рn-перехода;

(д) толщина t_z слоя 53 n-типа должна быть существенной для поддержания истощенного рn-слоя: для уровня легирования 10¹⁶ см^-3 и напряжения V_bias 1 В она предпочтительно составляет 0,5 мкм;

(n) толщина слоя 66 -типа составляет предпочтительно 20 нм. Этот слой обеспечивает барьер толщиной приблизительно 10 нм или более, достаточный для предотвращения электронного туннелирования. Барьер также является достаточно тонким (<30 нм) для предотвращения деформации между ним и соседними слоями InSb.

Теоретическая модель для датчика 50 была использована для идентификации подходящих параметров устройства, которые приводятся в табл. 1-3.

В табл. 1 представлены плотности тока утечки как функция абсолютной температуры Т для множества различных уровней легирования N_d и параметров х состава материала In_1-xAl_xSb.

Для величин х и N_d, приведенных в табл. 1, табл. 2 дает другие параметры датчика для рабочей температуры 370K и отношения тока утечки к току в плоскости /I_planе, ограниченного значениями от 0,9 до 1,1%.

Величины в табл. 3 эквивалентны величинам из табл. 2, за исключением того, что отношение /I_plane увеличивается и лежит в диапазоне от 10 до 12%. Датчики 10 и 50 могут иметь отношение /I_plane в диапазоне от 1 до 10%.

Табл. 1 показывает трудность сохранения плотности тока утечки j₁ на подходящем уровне при более высоких рабочих температурах Т. Увеличение параметра х состава барьерного слоя 66 уменьшает плотность тока утечки и ток управления должен сохранять постоянным отношение /I_plane; это также уменьшает диссипацию (рассеяние) энергии датчика. Например, изменение х в составе от 0,15 до 0,25 позволяет сохранять большие плотности тока и означает, что плотность тока утечки в 55 А/см² для N_d=10¹⁵ см^-3 соответствует рабочей температуре приблизительно 200К в противоположность 370К.

Табл. 2 показывает, что, когда используется концентрация примеси 10¹⁵ см^-3, то становится трудно обнаружить условия, при которых плотность мощности P_d остается подходящей для надежной работы датчика, даже с большим составом барьера. С другой стороны, увеличение концентрации примеси от приблизительно 10¹⁵ см^-3 до приблизительно 10¹⁷ см^-3 уменьшает подвижность носителей приблизительно в 3 раза. Кроме того, близость областей n-типа к областям -типа может приводить к туннелированию носителей, дающих вклад в плотность тока Следовательно, табл. 2 показывает, что оптимальная концентрация легирующих примесей составляет приблизительно 10¹⁶ см^-3; длина пути тока в датчике, равная 5 мкм, дает подходящую плотность мощности P_d 124 Вт/см².

Табл. 3 показывает, что увеличение отношения /I_plane дает возможность использовать большие датчики: последние легче изготавливать и поддерживать в них большие токи для эквивалентной плотности мощности, дающие большие напряжения Холла и лучшую чувствительность.

Теперь со ссылкой на фиг.13 показана цепь 200 датчика 10. Аккумулятор (батарея) 210 с положительными и отрицательными выводами 212 и 214 подсоединяется непосредственно к концевому слою 16с ответвления и через последовательность резисторов R_L - к концевому слою 16а ответвления соответственно.

Аккумулятор 210 смещает концевой слой 16с в положительном направлении по отношению к концевому слою 16а, и создает ток I_plane через концевой слой 16с, ответвление 14с, центральную область 14е, ответвление 14а и концевой слой 16а. Из-за положительного смещения концевой слой 16с является исключающим контактом по отношению к активной области 14 n-типа, что, следовательно, приводит к уменьшению в равных количествах электронов и дырок, как описано ранее, в значительной степени уничтожая беспримесный вклад в проводимость. Зона исключения проходит через ответвление 14с, центральную область 14е и ответвление 14а. Если магнитное поле приложено перпендикулярно к плоскости чертежа, напряжение Холла появляется между областями 16b, 16d. Ток, протекающий между концевым слоем 16с и слоем 16а, преимущественно существует только за счет носителей одного типа, т.е. электроны активизируются из донорных примесей, и датчик работает в режиме, который моделирует насыщенный примесный режим материала с более широкой шириной запрещенной зоны, такого, как Si.

Теперь со ссылкой на фиг.14 показана цепь 300 для датчика 50. Цепь 300 имеет первый аккумулятор 310 с положительными и отрицательными выводами 312 и 314, подсоединенными непосредственно к концевому слою 16с ответвления и через последовательность резисторов R_S – к концевому слою 16а ответвления соответственно. Второй аккумулятор 320 имеет отрицательный вывод 322, подсоединенный через последовательность резисторов R_B к соединению 330 подложки датчика, а также положительный вывод 334, подсоединенный к области 16с и к отрицательному выводу 314 первого аккумулятора.

Первый аккумулятор 310 подает напряжение смещения на датчик 50 через резистор R_S, и ток I_plane протекает между концевыми слоями 54а и 54с через ответвление 53а, центральную область 53е и ответвление 53с.Второй аккумулятор 330 смещает подложку 62 (см. фиг.6) по отношению к концевым слоям 54а и 54с, что смещает в обратном направлении -гетеропереход 110 между слоями 53 и 66. Слой 66 действует как экстрагирующий контакт по отношению к слою 53, в котором затем в значительной степени уничтожается беспримесный вклад в проводимость. Ток I_plane в слое 53, следовательно, преимущественно существует благодаря только одному типу носителей заряда, т.е. электронам, активизированным из донорных примесей, и датчик 50 работает в режиме, который моделирует насыщенный примесный режим. Если магнитное поле перпендикулярно плоскости чертежа, датчик 50 формирует напряжение Холла V_H поперек центральной области 53е, детектируемое концевыми слоями 54b и 54d.

Эффект Холла и магнитно-резистивные датчики работают нормально в варианте с управлением током, когда ток датчика поддерживается постоянным, а изменения в напряжении детектируются для того, чтобы определить магнитное поле В, которое для датчика на основе эффекта Холла дается соотношением

где все параметры определены ранее.

Из уравнения (1) следует

где V_D - продольное напряжение, управляющее током I_x через магнитно-резистивный датчик;

преобразовав, получим

В варианте с управлением током измеряемая величина поля В зависит от концентрации носителей n, которая подвергается воздействию шума генерации-рекомбинации в полупроводнике и также влияет на измерения. Датчики с экстракцией носителей заряда подвержены влиянию 1/f шума либо из-за флуктуации концентрации носителей, либо из-за флуктуации подвижности. Существующие (неокончательные) подтверждения говорят в пользу флуктуации концентрации: поэтому в варианте работы с управлением током и считыванием напряжения будет сказываться влияние 1/f шума.

Альтернативным вариантом работы для датчика магнитного поля согласно изобретению является управление напряжением, т.е. работа при постоянном управляющем напряжении и напряжении, считываемом для определения магнитного поля В: для магнитно-резистивного датчика В по-прежнему дается уравнением (12), а для датчика на основе эффекта Холла оно получается из следующего уравнения:

где l_х - длина датчика, а другие члены определены выше.

В варианте с управлением напряжением измеряемая величина В не зависит от плотности носителей, а зависит только от температуры из-за температурной зависимости подвижности: последняя представляет собой медленное изменение и также препятствует воздействиям из-за изменения концентрации любых оставшихся носителей, так как происходят два противоположных эффекта. Кроме того, эта измеряемая величина В не будет подвергаться воздействию шума генерации-рекомбинации или 1/f шума, если последний происходит из-за флуктуации плотности.

Вариант с управлением напряжением обычно не используется, потому что он может привести к тепловому убеганию и нестабильности датчика. Однако датчик согласно изобретению стабилизирован против теплового убегания, так как последнее происходит из-за беспримесной проводимости, которая в изобретении сокращается. Кроме того, работа в таком варианте не требует уменьшения беспримесного вклада до такой степени, как в других вариантах, для получения эквивалентных характеристик. Также считается, что это будет приводить к способности датчика работать в более широком диапазоне температур, чем при варианте работы с управлением током.

Еще одной альтернативой является работа датчика на основе эффекта Холла согласно изобретению в варианте с управлением током и считыванием тока: в этом варианте ток датчика I_х поддерживается постоянным, а напряжение Холла используется для управления током во внешней цепи, подсоединяемой через электроды, измеряющие напряжение Холла, и последний ток измеряется. Этот вариант должен в принципе иметь те же самые преимущества, что и вариант с управлением напряжением и считыванием напряжения. Картина протекания тока через такой датчик в варианте с управлением током и считыванием тока является сложной и требует численного моделирования для полной оценки. Считывание тока применяется, когда существует необходимость управления устройством непосредственно при использовании выходного сигнала датчика.

Теперь со ссылкой на фиг.15 показан в сечении магнитно-резистивный датчик 400 согласно изобретению, но, как отмечено зигзагообразными линиями, такими, как 402, чертеж выполнен без соблюдения масштаба. Части, эквивалентные частям, показанным на фиг.6, имеют подобные же ссылки с предшествующим числом 400. Датчик 400 включает в себя слой 464 подложки толщиной 1 мкм из InSb р⁺-типа на подложке 462 из InSb или GaAS, имеющий контакт 484 с электрическим смещением, который может быть перемещен на большее расстояние, если требуется. Слой 464 покрыт слоем 466 толщиной 20 нм из In_1-xAl_xSb р⁺-типа с х в диапазоне от 0,1 до 0,5, предпочтительно от 0,1 до 0,2, например 0,15. Слой 466 покрыт слоем 404 толщиной 0,5 мкм, состоящим в основном из InSb р-типа с концентрацией легирующей примеси 310¹⁵ см^-3, но включающим в себя на 30 нм ниже его поверхности 406 ультратонкий слой 408 кремния, обозначенный пунктирной линией: слой 408 кремния рассматривается как -легированный слой. При работе -легированный слой 408 создает двумерный электронный газ с концентрацией в диапазоне от 610¹¹ см^-2 до 210¹² см^-2, например 110¹² см^-2.

Две области 411 из InSb n⁺-типа толщиной 30 нм наносятся на слой 404, создавая электрическое подсоединение к нему: это позволяет измерить напряжение в датчике 400 и, следовательно, определить сопротивление датчика для обеспечения измерения магнитного поля. Они разделены расстоянием в диапазоне от 2 до 5 мкм, например 3,5 мкм. В плане датчик 400 является таким, как показанный на фиг.1, за исключением того, что он не имеет ответвлений 14а и 14с.

Датчик 400 представляет собой диодную -структуру, в которой р-слой 404 испытывает экстрагирование носителей, когда прикладывается обратное смещение, т.е. когда один из электродов 411 смещен в положительном направлении по отношению к подложке 462. Это происходит потому, что граница раздела между слоями 411 и 404 представляет собой n⁺р-переход, который является экстрагирующим контактом при обратном смещении. Концентрация носителей уменьшается до концентрации, которая существенно ниже беспримесной концентрации, превалирующей при отсутствии смещения, и она становится в основном независимой от температуры, как в насыщенном примесном режиме.

Проводящий слой электронов создается в р-слое 404 с помощью -легированного слоя 408: электроны формируют двумерный газ с концентрацией, которая также остается в основном постоянной при изменении температуры, потому что она устанавливается за счет концентрации легирующей примеси, а не за счет тепловой активизации. Электроны из -легирующего слоя 408А являются доминирующим источником носителей заряда в р-слое 404, который является активной областью датчика. n⁺-Слои 411 действуют как соединения истока и стока с р-слоем 404, который создает проводящий путь между ними. Именно от сопротивления этого проводящего пути зависит магнитное поле в соответствии с уравнением (1), и именно оно создает магнитно-резистивный эффект, с помощью которого измеряется магнитное поле.

Подвижность неосновных носителей (электронов) и, следовательно, также электронная диффузионная длина оказываются намного выше в полупроводниковом материале р-типа, чем подвижность дырок в эквиваленте n-типа: эффект экстракции носителей имеет место на протяжении диффузионной длины неосновных носителей, и, следовательно, из двух типов проводимости материал р-типа испытывает гораздо более эффективное экстрагирование, и концентрация носителей имеет более высокую степень температурной независимости. В датчике 400 концентрация носителей и сопротивление R₀ изменяются при изменении температуры на 50К приблизительно на 2%, что является по существу постоянным для многих применений.

Теперь со ссылкой на фиг.16, показано сечение магнитно-резистивного датчика 500, но, как отмечено с помощью зигзагообразных линий, таких как 502, чертеж выполнен без соблюдения масштаба. Датчик 500 содержит слой 504 толщиной 1 мкм р⁺-типа из In_0,85Al_0,15Sb с концентрацией легирующей примеси 210¹⁸ см^-3. Слой 504 находится на подложке 506 из InSb или СаАs и имеет контакт 508 с электрическим смещением, который может быть удален на большее расстояние. Слой 504 несет на себе слой 510 толщиной 0,5 мкм из In_0,85Al_0,15Sb -типа, который номинально не легируется примесями - их концентрация составляет менее чем 110¹⁶ см^-3. Слой 510 покрыт квантовой ямой 512 толщиной 15 нм из InSb р-типа с концентрацией легирующей примеси 310¹⁵ см^-3. Квантовая яма 512 покрыта слоем 514 толщиной 150 нм (подходящим диапазоном толщины является диапазон от 100 до 200 нм), состоящим в основном из In_0,85Al_0,15Sb -типа, который номинально не легирован примесями - их концентрация составляет менее чем 110¹⁶ см^-3. Слой 514 - типа включает в себя -легирующий слой 518 n-типа из кремния над квантовой ямой 512 и удален от него на расстояние в диапазоне 10-40 нм. При работе -легирующий слой 518 создает двумерный электронный газ с концентрацией в диапазоне от 610¹¹ см^-2 до 210¹² см^-2, например 110¹² см^-2, который формируется в квантовой яме 512 благодаря ее энергетическому преимуществу: на это дается ссылка как на легирование с модуляцией и концентрация электронного газа также остается постоянной при изменении температуры.

Две n⁺-области 520 из InSb толщиной 30 нм наносятся на слой 514 и обеспечивают с ним электрические соединения: они позволяют измерять напряжение в датчике 500 и, следовательно, определить сопротивление датчика для обеспечения измерения магнитного поля. Они разделены расстоянием в диапазоне от 2 до 5 мкм, например 3,5 мкм. В плане датчик 500 является таким, как показанный на фиг.1, за исключением того, что он не имеет ответвлений 14а и 14с.

Датчик 500 представляет собой диодную структуру -квантовая яма - , в которой квантовая яма 512 испытывает экстрагирование носителей, когда прикладывается обратное смещение, т.е. один или оба электрода 520 смещены в положительном направлении по отношению к подложке 506. Это происходит потому, что граница раздела между слоями 514 и 520 представляет собой n⁺р-переход, который является экстрагирующим контактом при обратном смещении. Концентрация носителей в квантовой яме 512 уменьшается до уровня, который существенно ниже беспримесного эквивалента при отсутствии смещения, и здесь опять она становится в основном независимой от температуры, как в насыщенном примесном режиме. Электроны из -легирующего слоя 518 являются доминантным источником заряженных носителей в квантовой яме 512, которая является активной областью датчика. Другие области 504, 510 и 514 датчика 500 имеют значительно более широкую запрещенную зону, чем квантовая яма 512, и концентрации их носителей могут считаться постоянными.

Слои 520 n⁺-типа действуют как электроды истока и стока, между которыми существует проводящий путь через -слой 514 и квантовую яму 512. Именно сопротивление этого проводящего пути зависит от магнитного поля и позволяет измерять магнитное поле.

В датчике 500 концентрация носителей изменяется при изменении температуры на 50К менее, чем на 1%: это очень высокая степень постоянства, которая является подходящей для требующихся применений. Это дает преимущества при сравнении с предшествующими вариантами реализации, потому что концентрация носителей в квантовой яме определяется легированием с модуляцией, которое является фиксированным параметром в отличие от термического активизирования электронно-дырочных пар.

Структуры слоев, показанных на фиг.6, 15 и 16, могут быть использованы для создания и датчика на основе эффекта Холла, и магнитно-резистивного датчика. Разница между двумя типами датчиков является простой: первый имеет конфигурацию с четырьмя выводами, как на фиг.1, а последний имеет конфигурацию с двумя выводами, соответствующую отсутствию (или неиспользованию) ответвлений 14b и 14d.