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基于宽禁带GaN基异质结结构的垂直型高温霍尔传感器

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

摘要:目前市场主流的窄禁带材料霍尔磁场传感器主要工作在室温或低温环境, 而新型的宽禁带GaN材料霍尔传感器虽然适用于高温, 但器件结构主要是水平型, 受制于异质结界面过高的纵向电场约束, 能探测平行器件表面磁场的垂直型结构至今未见报道, 因此技术上无法实现单一芯片三维磁场探测. 针对该难题, 本文提出基于宽禁带AlGaN/GaN异质结材料, 采用选区浅刻蚀二维电子气沟道势垒层形成局部凹槽结构的方案, 从而实现垂直型结构霍尔传感器, 并且可有效地提高磁场探测灵敏度. 首先对照真实器件测试数据对所提器件材料参数和物理模型进行校准, 然后利用计算机辅助设计技术(TCAD)对器件电极间距比值、台面宽度、感测电极长度等核心结构参数进行优化, 同时对器件特性进行深入分析讨论. 仿真结果表明所设计的霍尔传感器具有高的磁场探测敏感度(器件宽度为2 μm时为113.7 V/(A·T))和低的温度漂移系数(约600 ppm/K), 器件能稳定工作在大于500 K的高温环境. 本文工作针对宽禁带材料垂直型霍尔传感器进行设计研究, 为下一步实现在单一芯片同时制造垂直型和水平型器件, 从而最终获得更高集成度和探测敏感度、能高温应用的三维磁场探测技术奠定了理论基础.
关键词: 磁场传感器/
铝镓氮/氮化镓异质结/
二维电子气/
高温稳定性

English Abstract


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霍尔传感器用于探测空间磁场大小, 基于这种传感器的探测系统已经被广泛应用于各种领域, 例如生物医疗、汽车电子中的防抱死系统、无刷电机以及电子罗盘[15] 等. 传统霍尔传感器是基于硅、砷化铟或锑化铟等窄禁带半导体材料制作而成的[68]. 硅材料制作的霍尔传感器的优点是失调电压小、容易与信号调制电路集成以及便于量产[6]. 砷化铟和锑化铟异质结界面处具有高迁移率的二维电子气(two-dimensional electron gas, 2-DEG), 基于这种材料制作的传感器具有很高的灵敏度. 例如, 典型的砷化铟霍尔传感器在室温下的最大霍尔迁移率超过10000 cm2/(V·s), 电流相关敏感度可达300 V/(A·T)[7]. 然而, 这些材料本身禁带宽度较小(例如, 硅的禁带为1.12 eV, 砷化铟的禁带为0.35 eV), 材料的物理特性在高于100 ℃的工作环境中发生显著变化, 因此制作的霍尔传感器往往只能工作在100 ℃以下. 在高于100 ℃环境中工作时, 其器件的温漂系数过大(典型值达到13800 ppm/K)[9], 探测灵敏度明显下降甚至失效. 在一些高温、强辐射等特殊环境, 例如空间探测、核电站和军用领域, 这些传统的霍尔传感器已经不能够满足应用要求, 因此发展新材料、采用新工艺去设计并制作适用于高温工作环境的霍尔传感器具有重要意义.
氮化镓(GaN)基III—V族异质结材料(典型如AlGaN/GaN)作为第三代宽禁带半导体的重要代表之一, 具有明显的自身材料优势. 首先, GaN具有大的禁带宽度, 室温下为3.4 eV, 是硅的3倍, 砷化铟的9倍, 锑化铟的20倍, 因此其具有更高的临界击穿电场、更优的高温工作稳定性, 能够应用在300 ℃以上的极端环境中[1014]. 其次, GaN的理论本征载流子浓度很低, 因此制作的霍尔传感器噪声小、灵敏度较高. 另外, GaN基III—V族异质结界面处势阱中, 高密度的自发极化和压电极化面电荷产生强的电场, 诱导电子汇聚在势阱中并限制其在二维空间运动, 从而形成无需故意掺杂就具有的2-DEG[15,16], 因此具有明显高出体材料的电子迁移率(约2000 cm2/(V·s)). 利用这种GaN基异质结材料制作的霍尔传感器, 其工作敏感度较高, 非常适合应用在高温工作环境中[17,18]. 最后, GaN基霍尔传感器的研发还可借助于现有庞大的GaN基LED行业, 从而提高产品生产规模, 降低成本, 因此具有广阔的市场应用前景.
目前, 国际上已经有少量基于AlGaN/GaN异质结材料的霍尔传感器的研究报道, 其霍尔电极分布主要是十字形或者方形结构的水平型, 一般具有四端电极, 这种类型的传感器只能探测垂直于器件表面的磁场[13,19,20]. 而用于探测平行于器件表面磁场的垂直型霍尔传感器至今并未见相关研制成果报道. 垂直型霍尔传感器的设计和制作具有重要意义, 它的突破使得在外延片上进行芯片制作环节就能实现具有三维磁场探测功能的高端霍尔传感器[19,2124], 因此能明显减小芯片体积、缩减成本. 三维霍尔传感器具有更广的应用范围、更优的使用便捷性和准确性, 缩小芯片体积后还能应用于某些对空间要求苛刻的特殊测试环境. 目前限制GaN基材料垂直型霍尔传感器的主要技术瓶颈之一是2-DEG沟道虽然具有高的电子迁移率, 但是在异质结界面处垂直于沟道方向具有很高的纵向电场, 电子被限制在界面的沟道中, 因霍尔效应产生的洛伦兹力驱离载流子偏移原输运轨道的能力较弱, 从而导致检测到的霍尔电压较小, 传感器探测敏感度降低.
为了解决以上问题, 本文提出具有五端电极分布、采用2-DEG沟道势垒层选区浅刻蚀形成局部凹槽结构的AlGaN/GaN异质结垂直型霍尔传感器. 本文首先从理论上论证采用该方案实现垂直型霍尔传感器的优势, 同时, 为了获得更加准确可靠的器件仿真结果, 在仿真前对材料参数和物理模型进行了校准. 仿真中对器件的几何参数进行了系统地优化, 并探讨了不同结构参数对垂直型器件性能的影响, 重点研究势垒层刻蚀深度对器件霍尔电压的影响. 仿真结果表明本文设计的器件具有较大的磁场探测灵敏度和优良的工作温度稳定性, 对磁场传感器技术的应用发展具有理论指导意义.
2
2.1.霍尔传感器的关键评价指标
-->传统的半导体水平型霍尔传感器一般有四个电极, 其中两个电极是电流输入端, 另外两个电极是电压输出端. 通过在半导体两个输入端电极通入恒定电流, 在垂直于半导体平面方向施加外磁场, 则半导体内的载流子将受到洛伦兹力的作用, 因此向垂直于电流和磁场方向的半导体两侧聚集, 稳定时在两侧电极形成电势差, 即霍尔电压(VH). 五电极垂直型霍尔传感器首先由Popovic[24]提出, 可以采用恒压或恒流方式激励, 采用恒流激励测量电压信号时, 其霍尔电压可表达为[2426]
${V_{\rm{H}}} = G\frac{{{r_{\rm{H}}}}}{{qnw}}{I_{\rm{b}}}B,$
式中G为霍尔传感器的几何因子, rH为霍尔散射系数, n为半导体材料的载流子浓度, w为源区的宽度, Ib为输入端激励电流, B为平行器件表面方向的磁场强度.
评价霍尔传感器的关键指标之一是磁场灵敏度, 常用电流相关敏感度SI标记, 表示单位电流、单位磁场强度下获得的霍尔电压大小, 其具体表达式为[24,26]
${S_{\rm{I}}} = \frac{{{V_{\rm{H}}}}}{{{I_{\rm{b}}} B}} = G\frac{{{r_{\rm{H}}}}}{{qnw}}.$
另一个关键指标是灵敏度温度漂移系数(温漂系数), 常用ST标记, 表示单位温度变化下磁场灵敏度变化的相对量, 因此可以定量地表示器件工作的温度稳定性, 其具体表达式为[19]
${S_{\rm{T}}} = \frac{1}{{{S_{\rm{I}}}\left( {{T_0}} \right)}} \frac{{\partial {S_{\rm{I}}}\left( T \right)}}{{\partial T}},$
式中T为器件工作的温度; SI(T0)代表了室温下的磁场敏感度, ST越小, 表明霍尔传感器的温度稳定性越好.
2
2.2.GaN基异质结垂直型霍尔传感器结构设计
-->本文利用局部刻蚀减薄AlGaN势垒层, 通过减小异质结界面处极化电荷诱导产生的纵向电场, 从而有效提高测量得到的霍尔电压, 该垂直型霍尔传感器的剖面和俯视结构如图1所示. 传感器结构采用Si衬底和AlN应力缓冲层, 其上外延生长非故意掺杂的GaN材料和Al0.25Ga0.75N势垒层. C0, C1C2为传感器主电极; 长度均为l1; S1S2为感测电极, 长度均为l2; C0C1(或C2)间距为L1, 器件结构关于中心主电极C0呈对称分布. S1S2经浅刻蚀减薄后, 保留其势垒层厚度为d, 感测电极S1(或S2)与中心主电极C0边缘的距离为L2, 传感器的有效宽度记作w. 测量过程磁场方向平行于传感器表面电极, 如图1所示.
图 1 基于GaN基异质结结构的垂直型霍尔传感器结构 (a)剖面图; (b)俯视图
Figure1. Schematic diagram of GaN-based vertical Hall sensor: (a) Sectional and (b) top views.

垂直型霍尔传感器工作原理如下: C1C2电极作为公共端接地, C0作为激励源的电流输入端, 测量S1S2之间的电势差即为霍尔电压; 无平行器件表面的外加磁场时, 由于器件结构的对称性, 感测电极处的电势相等, 霍尔电压为零; 如图1所示, 当存在平行器件电极方向的磁场B时, 主电极C0C1C0C2的电流方向与磁场方向相互垂直, 载流子在运动过程中会受到垂直于电流和磁场方向(即y方向)的洛伦兹力, 由于C0C1C0C2的电流方向相反, 两者受到的洛伦兹力方向也相反, 从而发生载流子在y方向(纵向载流子分离, 这是垂直型霍尔传感器的重要特征)运动偏移, 形成明显的电势差, 即霍尔电压VH.
对于常规GaN基异质结结构(S1S2下方势垒层未进行刻蚀), 2-DEG沟道界面处极化正电荷诱导产生的电场力能有效抵消外加磁场形成的洛伦兹力, 因此沟道中载流子发生纵向偏移的能力明显减弱, 因此感测得到的霍尔电压过小, 传感器的灵敏度较低. 本文通过减薄感测电极下方的势垒层, 缩短势垒层表面极化负电荷与2-DEG沟道距离, 利用该极化负电荷诱导产生的相反方向电场力来部分抵消异质结界面处过高的纵向电场力. 由于该方案保留部分势垒层厚度, 保证了光滑平整、完好无损的沟道界面, 2-DEG电子迁移率大小并未受明显影响, 而载流子纵向运动偏移的能力得到增强, 因此传感器感测霍尔电压明显增大.
本文在TCAD仿真中重点研究磁场对半导体中运动载流子的影响, 仿真中采用了磁场相关电流传输模型, 其表达式如下[2729]:
$\begin{split}{{{J}}_\alpha } = &\; {\mu _\alpha }{{{g}}_\alpha } + {\mu _\alpha }\frac{1}{{1 + {{\left( {\mu _\alpha ^*B} \right)}^2}}}\\ &\cdot\left[ {\mu _\alpha ^*{{B}} \times {{{g}}_\alpha } + \mu _\alpha ^*{{B}} \times \left( {\mu _\alpha ^*{{B}} \times {{{g}}_\alpha }} \right)} \right],\end{split}$
其中,
${{{g}}_\alpha } = - \alpha q\nabla {\varnothing_\alpha },\;\alpha = n,\;p,$
式中Jα为载流子电流密度, μα为载流子迁移率, μα*为霍尔迁移率, $\nabla {\varnothing_\alpha }$为电子或空穴的准费米势, B为磁感应强度, B为其模值, α为电子n或空穴p.
从真实器件应用出发, 本文仿真过程重点关注温度对磁场传感器特性的影响, 因此仿真过程引入温度相关迁移率模型并加以优化. 本文采用了Farahmand等[30]通过拟合蒙特卡罗计算结果得出的用于GaN材料温度相关的低场电子迁移率模型, 该解析模型较为精确地考虑了合金组分、温度特性、合金无序效应等因素, 其表达式如下:
$\mu = \dfrac{{{\mu _0}\left( {T,N} \right) + {v_{{\rm{sat}}}}\dfrac{{{E^{{n_1} - 1}}}}{{E_{\rm{C}}^{{n_1}}}}}}{{1 + a{{\left( {\dfrac{E}{{{E_{\rm{C}}}}}} \right)}^{{n_2}}} + {{\left( {\dfrac{E}{{{E_{\rm{C}}}}}} \right)}^{{n_1}}}}},$
式中,
$\begin{split}{\mu _0}\left( {T,N} \right) =\; & {\mu _{{\rm{min}}}}{\left( {\dfrac{T}{{300}}} \right)^{{\beta _1}}} \\ &+ \dfrac{{\left( {{\mu _{{\rm{max}}}} - {\mu _{{\rm{min}}}}} \right){{\left( {\dfrac{T}{{300}}} \right)}^{{\beta _2}}}}}{{1 + {{\left[ {\dfrac{N}{{{N_{{\rm{ref}}}}{{\left( {\dfrac{T}{{300}}} \right)}^{{\beta _3}}}}}} \right]}^{\alpha {{\left( {\frac{T}{{300}}} \right)}^{{\beta _4}}}}}}},\end{split}$
其中, μ0为低场迁移率; E为电场强度; vsat为电子饱和速度; EC为关键电场; 参数a, n1n2为表达式(6)中的拟合参数; N为掺杂浓度; μmaxμmin为最大和最小载流子迁移率; α, β1, β2, β3β4为表达式(7)中的拟合参数. 此外, 仿真过程还引入载流子陷阱复合模型来模拟传感器实际工作中载流子输运过程可能的俘获和发射情况. 仿真计算采用时域有限差分法, 通过分割并分别求解器件网格单元的泊松方程和载流子连续性方程, 从而最后得到器件的电流密度、电场强度、电势分布等物理数据, 通过计算得到VH, SIST等传感器重要性能参数.
本文仿真中材料和器件结构参数取值如下: AlxGa1–xN势垒层厚度为25 nm, Al组分x = 0.25, GaN外延层厚度为6 μm, AlN缓冲层厚度为25 nm; C0, C1C2主电极长度l1 = 1.5 μm, S1S2感测电极长度l2 = 1 μm, C0C1 (或C2)间距L1 = 8.5 μm, 感测电极S1 (或S2)与中心主电极C0的距离L2 = 2 μm; 器件台面宽度w = 10 μm; GaN材料的背景载流子浓度为5 × 1014 cm–3; 结构参数优化过程中, AlxGa1–xN势垒层厚度d的取值范围为1 nm ≤ d ≤ 25 nm. AlxGa1–xN势垒层剩余厚度d的大小将显著影响2-DEG沟道中电子浓度和迁移率大小, 为了使仿真贴近实际器件工艺, 本文首先在仿真中对物理参数进行校准. Anderson等[31]报道了AlGaN势垒层浅刻蚀的HEMT器件的电学特性, 给出了刻蚀深度对器件参数变化(特别是电子迁移率)的具体影响, 本文通过对比仿真得到的转移特性曲线与文献实验数据来校准仿真中所用物理参数. 如图2所示, 两者阈值电压和电流大小数据匹配较好, 说明本文仿真结果具有较好的准确性和可靠性, 校正后的主要器件物理参数列于表1.
图 2 器件仿真数据与实验转移特性结果进行对比的器件参数校准过程[31]
Figure2. Comparisons of simulated IDS-VGS characteristics of the Hall sensor with the experimental data.

物理参数单位GaNAlN
禁带宽度 EgeV3.46.2
电子亲和能χV3.41.9
相对介电常数$\epsilon $9.48.8
迁移率 μcm2/(V·s)1310300
电子饱和速率 vsatcm/s1.8 × 1071.3 × 107
电子发射截面 σ0ncm21.0 × 10–151.0 × 10–15
导带状态密度 Nccm–32.7 × 10184.1 × 1018
价带状态密度 Nvcm–32.5 × 10192.8 × 1020
热导率 κW/(cm·K)1.32.9


表1仿真中所用的典型器件物理参数
Table1.Summary of physical parameters adopted in the simulations.

图3图4分别展示了感测电极下方靠近2-DEG沟道附近的电子浓度分布以及输出霍尔电压仿真结果, 与感测电极下方AlGaN势垒层厚度d的关系. 从图3图4可以看出: 随着感测电极下方AlGaN势垒层厚度d的减小, 异质结界面处的净极化电荷数量逐渐减小, 其诱导产生的纵向电场减小, 因此感测电极下方的2-DEG浓度迅速降低; 而同样由于纵向束缚电场减小, 洛伦兹力驱离载流子偏移原输运轨道的能力增强, 因此感测电极之间的电势差增大, 器件的输出霍尔电压明显增加, 其变化规律符合(1)式. 霍尔电压在d = 7 nm处达到峰值, 当继续刻蚀使得AlGaN势垒层较薄时, 受沟道电子迁移率下降的影响, 输出霍尔电压开始减小. 因此, 势垒层剩余厚度d存在最佳取值, 本文选定其值为7 nm.
图 3 2-DEG沟道界面下方电子浓度分布与势垒层剩余厚度的关系
Figure3. Profiles of 2-DEG concentration vs. AlGaN barrier thickness.

图 4 霍尔电压(或2-DEG电子浓度)与势垒层剩余厚度的关系
Figure4. Hall voltage (or 2-DEG concentration) vs. AlGaN barrier thickness.

图5展示了感测电极下方势垒层剩余厚度d = 7 nm时, 在无外加磁场和外加磁场B = 1 T情况下, 传感器电流密度空间分布对比情况. 从图5可以看出, 当器件表面平行方向不存在磁场时, 两侧的感测电极下方电流密度呈空间对称分布, 因此感测电极S1S2之间电势差为零, 如图5(a)所示; 而当垂直纸面向里方向存在磁场时, 感测电极S1下方的电子在磁场中受到洛伦兹力作用发生向下偏移, 而S2下方的电子运动向上偏移, 两边感测电极处纵向束缚电场的减弱间接加速了电子在纵向的偏移过程, 稳定后感测电极S1S2之间将产生明显的电势差, 如图5(b)所示, 图中虚线清晰地标明两侧电流空间分布差值情况.
图 5d = 7 nm时, 传感器电流密度空间分布对比 (a)无外加磁场; (b)外加磁场B = 1 T
Figure5. Comparisons of current density distribution in vertical Hall sensor with d = 7 nm under the conditions of (a) B = 0 and (b) B = 1 T.

霍尔传感器中的结构尺寸, 特别是L2/L1比值、感测电极长度l2和器件台面宽度w等参数对传感器灵敏度影响较大, 本文在仿真过程重点对这些参数进行优化, 仿真中采用的激励电流为0.5 mA, 外加磁场强度B = 0.5 T.
图6展示了霍尔传感器电流相关敏感度SIL2/L1比值的关系, 图中数据点为经过对数十个不同尺寸器件仿真模拟并经过计算得到. 仿真中设置感测电极的长度l2 = 1 μm, 器件的宽度w = 10 μm. 图6中虚线是对仿真所得数据点分布进行线性拟合得出的, 其数学关系式已列在图中. 从仿真结果可以看出, 电流相关敏感度随着L2/L1比值的增加而增加. 其原因是: 随着L2/L1比值增加, 感测电极相对两侧主电极的位置发生改变, 当感测电极靠近器件两侧时, 器件的几何因子G增加[21,26], 由前面表达式(2)可知电流相关敏感度也随之增加; 另外, 随着L2/L1比值增加, 靠近两侧主电极处的载流子受洛伦兹力的影响增强, 感测电极之间的电势差逐渐增加, 因此霍尔电压增加, 器件的电流相关敏感度也随之增加. 因此在实际器件设计制作过程中, 为了增大传感器的灵敏度, 可以适当减小主电极C0C1(或C2)之间的间距L1, 或者适当增加C0S1 (或S2)之间的间距L2.
图 6 电流相关敏感度SIL2/L1比值的关系
Figure6. Current-related sensitivity as a function of the ratio of L2/L1.

图7展示了电流敏感度以及输入电阻仿真结果, 与感测电极长度的关系, 其中感测电极l2的长度变化范围为0.50—2 μm, 而主电极间距L1 = 4.05 μm, 感测电极与主电极间距L2 = 2 μm以及器件宽度w = 10 μm. 由仿真结果可知, 器件的敏感度随着感测电极长度的增加有所增加, 当感测电极长度为1.25 μm时, 器件的峰值电流相关敏感度为22.8 V/(A·T). 随着感测电极长度继续增加, 器件的输入电阻呈线性增加, 而敏感度逐渐下降. 其原因是: 器件的电流相关敏感度的大小与器件导电沟道中的载流子浓度成反比, 随着感测电极长度的增加, 其下方势垒层经过刻蚀后, 异质结界面处的2-DEG浓度平均值有所降低[31], 因此电流敏感度逐渐增加; 而当感测电极的长度过大时, 两侧有效电势差部分抵消, 因此霍尔电压开始下降[25]. 综合考虑, 本文选取其最优值为l2 = 1.25 μm.
图 7 电流相关敏感度SI(或输入电阻Rin)与感测电极长度l2的关系
Figure7. Current-related sensitivity and input resistance as a function of the l2.

接下来进一步优化霍尔传感器台面宽度w, 仿真中w值分别设置为2, 4, 6, 8, 10 μm. 器件的其他参数如下: 主电极间距L1 = 4.05 μm, 感测电极与主电极间距L2 = 2 μm, 感测电极长度l2 = 1.25 μm. 仿真结果如图8所示, 随着器件台面宽度的缩减, 电流敏感度和输入电阻逐渐上升, 其变化规律符合(2)式. 器件的霍尔电压VH及电流相关敏感度SI与器件的宽度w成反比关系, 即w越大, 器件的霍尔电压及电流相关敏感度均降低. 因此理论上器件宽度w应当减小[21], 但是电流敏感度的提高将以牺牲器件输入电阻为代价. 此外, 考虑实验室中利用常规光刻技术制作传感器, 线宽越小曝光和剥离过程难度越大, 成品率更低, 因此在实际器件设计中应当折衷考虑, 同时结合电路匹配情况进行选择.
图 8 电流相关敏感度(或输入电阻)与器件宽度w的关系
Figure8. Current-related sensitivity and input resistance as a function of the w.

图9展示了不同工作温度下, GaN材料垂直型霍尔传感器的霍尔电压随外加磁场强度的变化关系. 仿真中, 选取主电极间距L1 = 4.05 μm、感测电极的长度l2 = 1.25 μm、感测电极与中心主电极的距离L2 = 2 μm以及器件的宽度w = 3 μm. 传感器工作中激励电流选取为0.3 mA, 外加磁场强度变化范围为–0.5 T ≤ B ≤ 0.5 T, 温度变化范围为300—525 K. 从图9可以看出, 无论正反磁场条件下或者不同环境温度下, 输出霍尔电压与磁场大小均呈现良好的线性关系. 进一步利用(2)和(3)式可以计算得到电流相关敏感度和温漂系数. 图10展示了传感器敏感度随工作温度的变化关系, 其中虚线由线性回归拟合得到, 图中列出了利用该线性关系计算得到的温漂系数. 从仿真结果可知, 室温下(T = 300 K)器件的电流敏感度为75.7 V/(A·T), 在300—375 K温度范围内器件的温度漂移系数为637.4 ppm/K, 在375—525 K温度范围内器件的温度漂移系数为–613.0 ppm/K, 图10电流敏感度变化趋势反映真实传感器工作过程中的物理规律[32]. 其原因是, 材料迁移率主要受电离杂质散射和晶格散射这两种机制的影响. 当传感器处于相对较低工作温度时, 载流子迁移率主要受电离杂质散射影响, 随着温度上升, 该散射影响减弱, 因此电流敏感度增加; 而当传感器处于高温工作情况时, 载流子迁移率主要受晶格振动散射影响, 以声学散射为主且晶格散射随着温度的升高而增强, 因此电流敏感度开始下降. 但本文宽带隙GaN材料霍尔传感器相对其他窄带隙材料, 晶格散射对其敏感度影响明显更小.
图 9 器件输出电压随磁场和工作温度的变化
Figure9. Temperature dependence of output Hall voltage as a function of magnetic induction.

图 10 电流相关敏感度随工作温度的变化
Figure10. Current-related sensitivity as a function of temperature.

本文工作与目前具有代表性的、能代表目前霍尔传感器发展水平的器件类型进行对比, 表2列出了不同材料和结构类型的半导体霍尔传感器关键性能指标对比结果[7,19,33,34]. 从表2可以看出, 传统Si基窄禁带半导体霍尔传感器受制于载流子迁移率较低的影响, 其电流相关灵敏度一般较小. 而由于材料禁带宽度小, 其器件温漂系数都在1000 ppm/K以上, 且一般只能工作在室温环境. InAs材料为主的窄禁带半导体虽然电流相关灵敏度较大, 但其温漂系数同样很大, 工作温度往往小于400 K或者只能在特定低温条件下工作. 而现有报道的GaN基霍尔传感器能工作在大于400 K的高温环境, 但其主要是水平型, 垂直型结构由于设计和研制工艺难度都较大, 目前其实验数据或者仿真结果都还未见报道. 即使是水平型器件, 其感测磁场的电流敏感度实验数据还普遍较低. 与上述这些器件相比, 本文所设计的GaN基霍尔传感器为垂直型结构, 填补了宽禁带材料垂直型器件研究的空白, 为实现同一芯片三维磁场探测奠定了理论和技术支持. 所设计的传感器能稳定工作在大于500 K的高温环境, 经过器件结构仿真优化后, 得了较大的磁场感测灵敏度和较低的温漂系数, 因此该类型器件将具有良好的工作稳定性和可靠性.
器件类别工作温度/K温漂系数ST/ppm·K–1灵敏度SI/V·(A·T)–1
Si基垂直型[33]T < 350$\sim $100041 (x方向)
Si基垂直型[34]T < 350454577.5 (x方向)
Si基垂直型[35]T < 3501500N/A
InAs/AlGaSb水平型[7]T < 4001710250
InAs/AlGaSb水平型[7]T < RT2690302
AlGaN/GaN水平型[19]T > 400$\sim $1000113
AlGaN/GaN水平型[36]T > 40082046
AlGaN/GaN垂直型(本文)T > 500$\sim $60075.7 (w = 3 μm)
113.7 (w = 2 μm)


表2基于不同材料的霍尔传感器关键性能指标对比
Table2.Comparisons of key performances of Hall sensors based on various materials.

本文提出了一种基于宽禁带半导体AlGaN/GaN异质结材料的垂直型霍尔传感器, 通过减薄感测电极下方势垒层厚度来降低纵向电子束缚电场, 仿真工作表明器件的磁场探测敏感度得到明显提高. 本文对器件的关键几何参数进行了优化, 器件优化结构如下: 势垒层厚度d = 7 nm、电极间距比值L2/L1 = 0.49、感测电极长度l2 = 1.25 μm及台面宽度w = 3 μm. 基于该结构获得的器件电流敏感度为75.7 V/(A·T), 在300—375 K和375—525 K两个工作温度范围内器件的温漂系数分别为637.4和–613.0 ppm/K, 器件能工作在温度大于500 K的高温环境. 本文率先提出对GaN材料垂直型霍尔传感器进行设计研究, 为进一步实现同一芯片三维磁场探测技术奠定了理论基础, 下一步可以将垂直型和现有水平型霍尔传感器在同一块芯片材料上进行同步制作, 获得高集成度、轻量化、更高磁场探测敏感度的高温三维霍尔传感器.
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    本站小编 Free壹佰分学习网 2022-09-19
  • 风云四号A星和GOES-13相对论电子观测数据在轨交叉定标及数据融合研究
    摘要:地球磁层空间的相对论电子通过内部充放电效应,能够导致在轨航天器彻底失效.由于对这种空间粒子的特性和物理机制仍不清楚,磁层空间相对论电子一直是空间环境探测和空间科学研究的重要对象.开展相关磁层空间环境特性的研究和粒子辐射环境建模等,需要同时使用来自不同卫星、不同探测器的观测数据.消除不同探测器之 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 微纳光子结构中光子和激子相互作用
    摘要:微纳光子结构中超强的光场局域给光和物质相互作用带来了新的研究机遇.通过设计光学模式,微纳结构中的光子和激子可以实现可逆或者不可逆的能量交换作用.本文综述了我们近年来在微纳结构,尤其是表面等离激元及其复合结构中光子和激子在强弱耦合区域的系列研究工作,如高效可调谐及方向性的单光子发射,利用电磁真空 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 旋转对称表面等离激元结构中极端局域光场的准正则模式分析
    摘要:金属微纳结构中表面等离激元能够将自由空间光场局域到亚波长甚至纳米尺度,增强光与物质相互作用等各种物理过程,为等离激元光学在诸多领域带来诱人的应用.然而,目前对表面等离激元光学模场的局域性定量描述仍主要基于直观的空间几何尺寸确定的模式体积,并常被用于刻画模场与物质相互作用的强度.本文基于准正则模 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 等离激元材料和器件的动态调控研究进展
    摘要:等离激元学连接着光子学和电子学,在光产生、显微显示、数据存储、光集成和光子芯片、传感技术和纳米制造技术等方面展示出重要应用,正极大地促进既拥有纳米电子学的尺寸又兼有介电光子学速度的新一代信息材料和器件的发展.但是,传统上绝大部分等离激元材料和器件都是基于静态的设计,即一旦被制备,其性能也就确定 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 金属亚波长结构的表面增强拉曼散射
    摘要:灵敏度高、可重复性好的固态表面增强拉曼散射基板可作为生物医学、环境科学、化学化工、纳米科技等领域的生化感测器,具有十分重要的实际应用价值.传统的表面增强拉曼散射基于金属颗粒提供的局域表面等离谐振这一物理机制,但其组装不易且模式损耗大.本文基于周期性金属亚波长结构,构建增强拉曼散射信号的“热点” ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 基于亚波长人工微结构的电磁波减反增透研究进展
    摘要:电磁波抗反射技术在太阳能电池、光学透镜、红外传感、探测器等众多应用场景中至关重要,长久以来一直是先进光学系统、光电器件研究领域热点方向之一.本文简略回顾了传统的减反的理论与方法;侧重介绍了近几年来基于亚波长人工微结构材料的电磁波减反增透相关研究进展,主要内容包括局域表面等离激元抑制光反射增强光 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 纳米流体液膜蒸发自组装双尺度沉积结构三维模拟
    摘要:纳米流体液膜在自然状态下蒸发干燥后除了形成单一尺度的网状连续结构、枝状分形结构以及微尺寸环结构等沉积结构,还会形成双尺度细胞网络沉积结构和双尺度纳米粒子环状沉积结构.为了更直观地研究纳米流体液膜双尺度沉积结构的形成机理,本文在二维动力学蒙特卡罗模型的基础上,建立了三维动力学蒙特卡罗模型,并加入 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 钙钛矿NaFeF<sub>3</sub>结构物性的理论研究及应力和掺杂调控
    摘要:利用第一性原理计算研究了氟化物钙钛矿NaFeF3的基态电子态和磁构型,并模拟分析了衬底应力和阴离子置换对材料基本物性的影响.计算结果表明,NaFeF3块材的G-AFM磁基态十分稳定,不会受到衬底应力调控以及F位氧掺杂的影响.当低浓度掺杂(~8.3%)时,氧离子倾向于替换FeF2面内的F,形成非 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 暗声学超材料型充液管道的低频消声特性
    摘要:充液管道低频声的有效吸收和消减一直是一个颇具挑战性的难题.受声学超材料理论启发,本文设计了一种沿管道轴向方向等距布置小体积声学短管的充液周期管道系统.该管道系统可以诱发声波传播超宽低频带隙的产生,使得声波在带隙频率范围内传播将被显著衰减,乃至无法透射,近乎被完全吸收,称为暗声学超材料型充液管道 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 高居里温度铋层状结构钛钽酸铋(Bi<sub>3</sub>TiTaO<sub>9</sub>)的压电、介电和铁电特性
    摘要:随着现代信息技术的飞速发展,压电材料的应用范围进一步拓展,使用的温度环境越来越严苛,在一些极端环境下对压电材料的服役性能提出了新的挑战.因此研究具有高居里温度同时具有较强压电性能的压电材料,是迫切需要解决的问题.本文利用普通陶瓷工艺制备了高居里温度铋层状结构钛钽酸铋Bi3TiTaO9+xwt. ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29