曹亞慶 黃火林? 孫仲豪 李飛雨 白洪亮 張卉 孫楠 Yung C.Liang

1)(大連理工大學(xué)光電工程與儀器科學(xué)學(xué)院,大連 116024)

2)(大連理工大學(xué)物理學(xué)院,大連 116024)

3)(新加坡國立大學(xué)電氣與計算機(jī)工程系,新加坡 119260)

1 引 言

霍爾傳感器用于探測空間磁場大小,基于這種傳感器的探測系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域,例如生物醫(yī)療、汽車電子中的防抱死系統(tǒng)、無刷電機(jī)以及電子羅盤[1?5]等.傳統(tǒng)霍爾傳感器是基于硅、砷化銦或銻化銦等窄禁帶半導(dǎo)體材料制作而成的[6?8].硅材料制作的霍爾傳感器的優(yōu)點是失調(diào)電壓小、容易與信號調(diào)制電路集成以及便于量產(chǎn)[6].砷化銦和銻化銦異質(zhì)結(jié)界面處具有高遷移率的二維電子氣(two-dimensional electron gas,2-DEG),基于這種材料制作的傳感器具有很高的靈敏度.例如,典型的砷化銦霍爾傳感器在室溫下的最大霍爾遷移率超過 10000 cm2/(V·s),電流相關(guān)敏感度可達(dá) 300 V/(A·T)[7].然而,這些材料本身禁帶寬度較小(例如,硅的禁帶為 1.12 eV,砷化銦的禁帶為0.35 eV),材料的物理特性在高于100 ℃的工作環(huán)境中發(fā)生顯著變化,因此制作的霍爾傳感器往往只能工作在100 ℃以下.在高于100 ℃環(huán)境中工作時,其器件的溫漂系數(shù)過大(典型值達(dá)到13800 ppm/K)[9],探測靈敏度明顯下降甚至失效.在一些高溫、強(qiáng)輻射等特殊環(huán)境,例如空間探測、核電站和軍用領(lǐng)域,這些傳統(tǒng)的霍爾傳感器已經(jīng)不能夠滿足應(yīng)用要求,因此發(fā)展新材料、采用新工藝去設(shè)計并制作適用于高溫工作環(huán)境的霍爾傳感器具有重要意義.

氮化鎵(GaN)基III—V族異質(zhì)結(jié)材料(典型如AlGaN/GaN)作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體的重要代表之一,具有明顯的自身材料優(yōu)勢.首先,GaN具有大的禁帶寬度,室溫下為3.4 eV,是硅的3倍,砷化銦的9倍,銻化銦的20倍,因此其具有更高的臨界擊穿電場、更優(yōu)的高溫工作穩(wěn)定性,能夠應(yīng)用在 300 ℃ 以上的極端環(huán)境中[10?14].其次,GaN的理論本征載流子濃度很低,因此制作的霍爾傳感器噪聲小、靈敏度較高.另外,GaN基III—V族異質(zhì)結(jié)界面處勢阱中,高密度的自發(fā)極化和壓電極化面電荷產(chǎn)生強(qiáng)的電場,誘導(dǎo)電子匯聚在勢阱中并限制其在二維空間運動,從而形成無需故意摻雜就具有的2-DEG[15,16],因此具有明顯高出體材料的電子遷移率(約 2000 cm2/(V·s)).利用這種 GaN 基異質(zhì)結(jié)材料制作的霍爾傳感器,其工作敏感度較高,非常適合應(yīng)用在高溫工作環(huán)境中[17,18].最后,GaN基霍爾傳感器的研發(fā)還可借助于現(xiàn)有龐大的GaN基LED行業(yè),從而提高產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模,降低成本,因此具有廣闊的市場應(yīng)用前景.

目前,國際上已經(jīng)有少量基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料的霍爾傳感器的研究報道,其霍爾電極分布主要是十字形或者方形結(jié)構(gòu)的水平型,一般具有四端電極,這種類型的傳感器只能探測垂直于器件表面的磁場[13,19,20].而用于探測平行于器件表面磁場的垂直型霍爾傳感器至今并未見相關(guān)研制成果報道.垂直型霍爾傳感器的設(shè)計和制作具有重要意義,它的突破使得在外延片上進(jìn)行芯片制作環(huán)節(jié)就能實現(xiàn)具有三維磁場探測功能的高端霍爾傳感器[19,21?24],因此能明顯減小芯片體積、縮減成本.三維霍爾傳感器具有更廣的應(yīng)用范圍、更優(yōu)的使用便捷性和準(zhǔn)確性,縮小芯片體積后還能應(yīng)用于某些對空間要求苛刻的特殊測試環(huán)境.目前限制GaN基材料垂直型霍爾傳感器的主要技術(shù)瓶頸之一是2-DEG溝道雖然具有高的電子遷移率,但是在異質(zhì)結(jié)界面處垂直于溝道方向具有很高的縱向電場,電子被限制在界面的溝道中,因霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的洛倫茲力驅(qū)離載流子偏移原輸運軌道的能力較弱,從而導(dǎo)致檢測到的霍爾電壓較小,傳感器探測敏感度降低.

為了解決以上問題,本文提出具有五端電極分布、采用2-DEG溝道勢壘層選區(qū)淺刻蝕形成局部凹槽結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)垂直型霍爾傳感器.本文首先從理論上論證采用該方案實現(xiàn)垂直型霍爾傳感器的優(yōu)勢,同時,為了獲得更加準(zhǔn)確可靠的器件仿真結(jié)果,在仿真前對材料參數(shù)和物理模型進(jìn)行了校準(zhǔn).仿真中對器件的幾何參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)地優(yōu)化,并探討了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對垂直型器件性能的影響,重點研究勢壘層刻蝕深度對器件霍爾電壓的影響.仿真結(jié)果表明本文設(shè)計的器件具有較大的磁場探測靈敏度和優(yōu)良的工作溫度穩(wěn)定性,對磁場傳感器技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展具有理論指導(dǎo)意義.

2 霍爾傳感器的關(guān)鍵指標(biāo)與垂直型器件結(jié)構(gòu)的提出

2.1 霍爾傳感器的關(guān)鍵評價指標(biāo)

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體水平型霍爾傳感器一般有四個電極,其中兩個電極是電流輸入端,另外兩個電極是電壓輸出端.通過在半導(dǎo)體兩個輸入端電極通入恒定電流,在垂直于半導(dǎo)體平面方向施加外磁場,則半導(dǎo)體內(nèi)的載流子將受到洛倫茲力的作用,因此向垂直于電流和磁場方向的半導(dǎo)體兩側(cè)聚集,穩(wěn)定時在兩側(cè)電極形成電勢差,即霍爾電壓(VH).五電極垂直型霍爾傳感器首先由Popovic[24]提出,可以采用恒壓或恒流方式激勵,采用恒流激勵測量電壓信號時,其霍爾電壓可表達(dá)為[24?26]

式中G為霍爾傳感器的幾何因子,rH為霍爾散射系數(shù),n為半導(dǎo)體材料的載流子濃度,w為源區(qū)的寬度,Ib為輸入端激勵電流,B為平行器件表面方向的磁場強(qiáng)度.

評價霍爾傳感器的關(guān)鍵指標(biāo)之一是磁場靈敏度,常用電流相關(guān)敏感度SI標(biāo)記,表示單位電流、單位磁場強(qiáng)度下獲得的霍爾電壓大小,其具體表達(dá)式為[24,26]

另一個關(guān)鍵指標(biāo)是靈敏度溫度漂移系數(shù)(溫漂系數(shù)),常用ST標(biāo)記,表示單位溫度變化下磁場靈敏度變化的相對量,因此可以定量地表示器件工作的溫度穩(wěn)定性,其具體表達(dá)式為[19]

式中T為器件工作的溫度;SI(T0)代表了室溫下的磁場敏感度,ST越小,表明霍爾傳感器的溫度穩(wěn)定性越好.

2.2 GaN基異質(zhì)結(jié)垂直型霍爾傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文利用局部刻蝕減薄AlGaN勢壘層,通過減小異質(zhì)結(jié)界面處極化電荷誘導(dǎo)產(chǎn)生的縱向電場,從而有效提高測量得到的霍爾電壓,該垂直型霍爾傳感器的剖面和俯視結(jié)構(gòu)如圖1所示.傳感器結(jié)構(gòu)采用Si襯底和AlN應(yīng)力緩沖層,其上外延生長非故意摻雜的GaN材料和Al0.25Ga0.75N勢壘層.C0,C1和C2為傳感器主電極;長度均為l1;S1和S2為感測電極,長度均為l2;C0與C1(或C2)間距為L1,器件結(jié)構(gòu)關(guān)于中心主電極C0呈對稱分布.S1和S2經(jīng)淺刻蝕減薄后,保留其勢壘層厚度為d,感測電極S1(或S2)與中心主電極C0邊緣的距離為L2,傳感器的有效寬度記作w.測量過程磁場方向平行于傳感器表面電極,如圖1所示.

圖1 基于GaN基異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的垂直型霍爾傳感器結(jié)構(gòu)(a)剖面圖;(b)俯視圖Fig.1.Schematic diagram of GaN-based vertical Hall sensor:(a)Sectional and(b)top views.

垂直型霍爾傳感器工作原理如下:C1和C2電極作為公共端接地,C0作為激勵源的電流輸入端,測量S1和S2之間的電勢差即為霍爾電壓;無平行器件表面的外加磁場時,由于器件結(jié)構(gòu)的對稱性,感測電極處的電勢相等,霍爾電壓為零;如圖1所示,當(dāng)存在平行器件電極方向的磁場B時,主電極C0→C1和C0→C2的電流方向與磁場方向相互垂直,載流子在運動過程中會受到垂直于電流和磁場方向(即y方向)的洛倫茲力,由于C0→C1和C0→C2的電流方向相反,兩者受到的洛倫茲力方向也相反,從而發(fā)生載流子在y方向(縱向載流子分離,這是垂直型霍爾傳感器的重要特征)運動偏移,形成明顯的電勢差,即霍爾電壓VH.

對于常規(guī)GaN基異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)(S1和S2下方勢壘層未進(jìn)行刻蝕),2-DEG溝道界面處極化正電荷誘導(dǎo)產(chǎn)生的電場力能有效抵消外加磁場形成的洛倫茲力,因此溝道中載流子發(fā)生縱向偏移的能力明顯減弱,因此感測得到的霍爾電壓過小,傳感器的靈敏度較低.本文通過減薄感測電極下方的勢壘層,縮短勢壘層表面極化負(fù)電荷與2-DEG溝道距離,利用該極化負(fù)電荷誘導(dǎo)產(chǎn)生的相反方向電場力來部分抵消異質(zhì)結(jié)界面處過高的縱向電場力.由于該方案保留部分勢壘層厚度,保證了光滑平整、完好無損的溝道界面,2-DEG電子遷移率大小并未受明顯影響,而載流子縱向運動偏移的能力得到增強(qiáng),因此傳感器感測霍爾電壓明顯增大.

3 仿真與器件物理參數(shù)校正

本文在TCAD仿真中重點研究磁場對半導(dǎo)體中運動載流子的影響,仿真中采用了磁場相關(guān)電流傳輸模型,其表達(dá)式如下[27?29]:

其中,

式中Ja為載流子電流密度,μa為載流子遷移率,μa*為霍爾遷移率,??α為電子或空穴的準(zhǔn)費米勢,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,B為其模值,a為電子n或空穴p.

從真實器件應(yīng)用出發(fā),本文仿真過程重點關(guān)注溫度對磁場傳感器特性的影響,因此仿真過程引入溫度相關(guān)遷移率模型并加以優(yōu)化.本文采用了Farahmand等[30]通過擬合蒙特卡羅計算結(jié)果得出的用于GaN材料溫度相關(guān)的低場電子遷移率模型,該解析模型較為精確地考慮了合金組分、溫度特性、合金無序效應(yīng)等因素,其表達(dá)式如下:

式中,

其中,μ0為低場遷移率;E為電場強(qiáng)度;vsat為電子飽和速度;EC為關(guān)鍵電場;參數(shù)a,n1和n2為表達(dá)式(6)中的擬合參數(shù);N為摻雜濃度;μmax和μmin為最大和最小載流子遷移率;a,b1,b2,b3和b4為表達(dá)式(7)中的擬合參數(shù).此外,仿真過程還引入載流子陷阱復(fù)合模型來模擬傳感器實際工作中載流子輸運過程可能的俘獲和發(fā)射情況.仿真計算采用時域有限差分法,通過分割并分別求解器件網(wǎng)格單元的泊松方程和載流子連續(xù)性方程,從而最后得到器件的電流密度、電場強(qiáng)度、電勢分布等物理數(shù)據(jù),通過計算得到VH,SI和ST等傳感器重要性能參數(shù).

本文仿真中材料和器件結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如下:AlxGa1–xN勢壘層厚度為25nm,Al組分x=0.25,GaN外延層厚度為6μm,AlN緩沖層厚度為25nm;C0,C1和C2主電極長度l1=1.5μm,S1和S2感測電極長度l2=1μm,C0與C1(或C2)間距L1=8.5μm,感測電極S1(或S2)與中心主電極C0的距離L2=2μm;器件臺面寬度w=10μm;GaN材料的背景載流子濃度為5×1014cm–3;結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化過程中,AlxGa1–xN勢壘層厚度d的取值范圍為1nm≤d≤25nm.AlxGa1–xN勢壘層剩余厚度d的大小將顯著影響2-DEG溝道中電子濃度和遷移率大小,為了使仿真貼近實際器件工藝,本文首先在仿真中對物理參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn).Anderson等[31]報道了AlGaN勢壘層淺刻蝕的HEMT器件的電學(xué)特性,給出了刻蝕深度對器件參數(shù)變化(特別是電子遷移率)的具體影響,本文通過對比仿真得到的轉(zhuǎn)移特性曲線與文獻(xiàn)實驗數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)仿真中所用物理參數(shù).如圖2所示,兩者閾值電壓和電流大小數(shù)據(jù)匹配較好,說明本文仿真結(jié)果具有較好的準(zhǔn)確性和可靠性,校正后的主要器件物理參數(shù)列于表1.

圖2 器件仿真數(shù)據(jù)與實驗轉(zhuǎn)移特性結(jié)果進(jìn)行對比的器件參數(shù)校準(zhǔn)過程[31]Fig.2.Comparisons of simulated IDS-VGS characteristics of the Hall sensor with the experimental data.

表1 仿真中所用的典型器件物理參數(shù)Table 1. Summary of physical parameters adopted in the simulations.

4 仿真結(jié)果與討論

圖3和圖4分別展示了感測電極下方靠近2-DEG溝道附近的電子濃度分布以及輸出霍爾電壓仿真結(jié)果,與感測電極下方AlGaN勢壘層厚度d的關(guān)系.從圖3和圖4可以看出:隨著感測電極下方AlGaN勢壘層厚度d的減小,異質(zhì)結(jié)界面處的凈極化電荷數(shù)量逐漸減小,其誘導(dǎo)產(chǎn)生的縱向電場減小,因此感測電極下方的2-DEG濃度迅速降低;而同樣由于縱向束縛電場減小,洛倫茲力驅(qū)離載流子偏移原輸運軌道的能力增強(qiáng),因此感測電極之間的電勢差增大,器件的輸出霍爾電壓明顯增加,其變化規(guī)律符合(1)式.霍爾電壓在d=7 nm處達(dá)到峰值,當(dāng)繼續(xù)刻蝕使得AlGaN勢壘層較薄時,受溝道電子遷移率下降的影響,輸出霍爾電壓開始減小.因此,勢壘層剩余厚度d存在最佳取值,本文選定其值為7 nm.

圖3 2-DEG溝道界面下方電子濃度分布與勢壘層剩余厚度的關(guān)系Fig.3.Profiles of 2-DEG concentration vs.AlGaN barrier thickness.

圖4 霍爾電壓(或 2-DEG 電子濃度)與勢壘層剩余厚度的關(guān)系Fig.4.Hall voltage(or 2-DEG concentration)vs.AlGaN barrier thickness.

圖5展示了感測電極下方勢壘層剩余厚度d=7 nm 時,在無外加磁場和外加磁場B=1 T 情況下,傳感器電流密度空間分布對比情況.從圖5可以看出,當(dāng)器件表面平行方向不存在磁場時,兩側(cè)的感測電極下方電流密度呈空間對稱分布,因此感測電極S1和S2之間電勢差為零,如圖5(a)所示;而當(dāng)垂直紙面向里方向存在磁場時,感測電極S1下方的電子在磁場中受到洛倫茲力作用發(fā)生向下偏移,而S2下方的電子運動向上偏移,兩邊感測電極處縱向束縛電場的減弱間接加速了電子在縱向的偏移過程,穩(wěn)定后感測電極S1和S2之間將產(chǎn)生明顯的電勢差,如圖5(b)所示,圖中虛線清晰地標(biāo)明兩側(cè)電流空間分布差值情況.

霍爾傳感器中的結(jié)構(gòu)尺寸,特別是L2/L1比值、感測電極長度l2和器件臺面寬度w等參數(shù)對傳感器靈敏度影響較大,本文在仿真過程重點對這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,仿真中采用的激勵電流為0.5 mA,外加磁場強(qiáng)度B=0.5 T.

圖6展示了霍爾傳感器電流相關(guān)敏感度SI與L2/L1比值的關(guān)系,圖中數(shù)據(jù)點為經(jīng)過對數(shù)十個不同尺寸器件仿真模擬并經(jīng)過計算得到.仿真中設(shè)置感測電極的長度l2=1 μm,器件的寬度w=10 μm.圖6中虛線是對仿真所得數(shù)據(jù)點分布進(jìn)行線性擬合得出的,其數(shù)學(xué)關(guān)系式已列在圖中.從仿真結(jié)果可以看出,電流相關(guān)敏感度隨著L2/L1比值的增加而增加.其原因是:隨著L2/L1比值增加,感測電極相對兩側(cè)主電極的位置發(fā)生改變,當(dāng)感測電極靠近器件兩側(cè)時,器件的幾何因子G增加[21,26],由前面表達(dá)式(2)可知電流相關(guān)敏感度也隨之增加;另外,隨著L2/L1比值增加,靠近兩側(cè)主電極處的載流子受洛倫茲力的影響增強(qiáng),感測電極之間的電勢差逐漸增加,因此霍爾電壓增加,器件的電流相關(guān)敏感度也隨之增加.因此在實際器件設(shè)計制作過程中,為了增大傳感器的靈敏度,可以適當(dāng)減小主電極C0與C1(或C2)之間的間距L1,或者適當(dāng)增加C0與S1(或S2)之間的間距L2.

圖7展示了電流敏感度以及輸入電阻仿真結(jié)果,與感測電極長度的關(guān)系,其中感測電極l2的長度變化范圍為 0.50—2 μm,而主電極間距L1=4.05 μm,感測電極與主電極間距L2=2 μm 以及器件寬度w=10 μm.由仿真結(jié)果可知,器件的敏感度隨著感測電極長度的增加有所增加,當(dāng)感測電極長度為1.25 μm時,器件的峰值電流相關(guān)敏感度為 22.8 V/(A·T).隨著感測電極長度繼續(xù)增加,器件的輸入電阻呈線性增加,而敏感度逐漸下降.其原因是:器件的電流相關(guān)敏感度的大小與器件導(dǎo)電溝道中的載流子濃度成反比,隨著感測電極長度的增加,其下方勢壘層經(jīng)過刻蝕后,異質(zhì)結(jié)界面處的2-DEG濃度平均值有所降低[31],因此電流敏感度逐漸增加;而當(dāng)感測電極的長度過大時,兩側(cè)有效電勢差部分抵消,因此霍爾電壓開始下降[25].綜合考慮,本文選取其最優(yōu)值為l2=1.25 μm.

圖5 當(dāng) d=7 nm 時,傳感器電流密度空間分布對比(a)無外加磁場;(b)外加磁場 B=1 TFig.5.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.

圖6 電流相關(guān)敏感度 SI與 L2/L1 比值的關(guān)系Fig.6.Current-related sensitivity as a function of the ratio of L2/L1.

圖7 電流相關(guān)敏感度 SI(或輸入電阻 Rin)與感測電極長度l2的關(guān)系Fig.7.Current-related sensitivity and input resistance as a function of the l2.

接下來進(jìn)一步優(yōu)化霍爾傳感器臺面寬度w,仿真中w值分別設(shè)置為 2,4,6,8,10 μm.器件的其他參數(shù)如下:主電極間距L1=4.05 μm,感測電極與主電極間距L2=2 μm,感測電極長度l2=1.25 μm.仿真結(jié)果如圖8所示,隨著器件臺面寬度的縮減,電流敏感度和輸入電阻逐漸上升,其變化規(guī)律符合(2)式.器件的霍爾電壓VH及電流相關(guān)敏感度SI與器件的寬度w成反比關(guān)系,即w越大,器件的霍爾電壓及電流相關(guān)敏感度均降低.因此理論上器件寬度w應(yīng)當(dāng)減小[21],但是電流敏感度的提高將以犧牲器件輸入電阻為代價.此外,考慮實驗室中利用常規(guī)光刻技術(shù)制作傳感器,線寬越小曝光和剝離過程難度越大,成品率更低,因此在實際器件設(shè)計中應(yīng)當(dāng)折衷考慮,同時結(jié)合電路匹配情況進(jìn)行選擇.

圖8 電流相關(guān)敏感度(或輸入電阻)與器件寬度w的關(guān)系Fig.8.Current-related sensitivity and input resistance as a function of the w.

圖9展示了不同工作溫度下,GaN材料垂直型霍爾傳感器的霍爾電壓隨外加磁場強(qiáng)度的變化關(guān)系.仿真中,選取主電極間距L1=4.05 μm、感測電極的長度l2=1.25 μm、感測電極與中心主電極的距離L2=2 μm 以及器件的寬度w=3 μm.傳感器工作中激勵電流選取為0.3 mA,外加磁場強(qiáng)度變化范圍為–0.5 T ≤B≤ 0.5 T,溫度變化范圍為 300—525 K.從圖9可以看出,無論正反磁場條件下或者不同環(huán)境溫度下,輸出霍爾電壓與磁場大小均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系.進(jìn)一步利用(2)和(3)式可以計算得到電流相關(guān)敏感度和溫漂系數(shù).圖10展示了傳感器敏感度隨工作溫度的變化關(guān)系,其中虛線由線性回歸擬合得到,圖中列出了利用該線性關(guān)系計算得到的溫漂系數(shù).從仿真結(jié)果可知,室溫下(T=300 K)器件的電流敏感度為 75.7 V/(A·T),在 300—375 K 溫度范圍內(nèi)器件的溫度漂移系數(shù)為 637.4 ppm/K,在 375—525 K 溫度范圍內(nèi)器件的溫度漂移系數(shù)為–613.0 ppm/K,圖10電流敏感度變化趨勢反映真實傳感器工作過程中的物理規(guī)律[32].其原因是,材料遷移率主要受電離雜質(zhì)散射和晶格散射這兩種機(jī)制的影響.當(dāng)傳感器處于相對較低工作溫度時,載流子遷移率主要受電離雜質(zhì)散射影響,隨著溫度上升,該散射影響減弱,因此電流敏感度增加;而當(dāng)傳感器處于高溫工作情況時,載流子遷移率主要受晶格振動散射影響,以聲學(xué)散射為主且晶格散射隨著溫度的升高而增強(qiáng),因此電流敏感度開始下降.但本文寬帶隙GaN材料霍爾傳感器相對其他窄帶隙材料,晶格散射對其敏感度影響明顯更小.

圖9 器件輸出電壓隨磁場和工作溫度的變化Fig.9.Temperature dependence of output Hall voltage as a function of magnetic induction.

圖10 電流相關(guān)敏感度隨工作溫度的變化Fig.10.Current-related sensitivity as a function of temperature.

本文工作與目前具有代表性的、能代表目前霍爾傳感器發(fā)展水平的器件類型進(jìn)行對比,表2列出了不同材料和結(jié)構(gòu)類型的半導(dǎo)體霍爾傳感器關(guān)鍵性能指標(biāo)對比結(jié)果[7,19,33,34].從表2可以看出,傳統(tǒng)Si基窄禁帶半導(dǎo)體霍爾傳感器受制于載流子遷移率較低的影響,其電流相關(guān)靈敏度一般較小.而由于材料禁帶寬度小,其器件溫漂系數(shù)都在1000 ppm/K以上,且一般只能工作在室溫環(huán)境.InAs材料為主的窄禁帶半導(dǎo)體雖然電流相關(guān)靈敏度較大,但其溫漂系數(shù)同樣很大,工作溫度往往小于400 K或者只能在特定低溫條件下工作.而現(xiàn)有報道的GaN基霍爾傳感器能工作在大于400 K的高溫環(huán)境,但其主要是水平型,垂直型結(jié)構(gòu)由于設(shè)計和研制工藝難度都較大,目前其實驗數(shù)據(jù)或者仿真結(jié)果都還未見報道.即使是水平型器件,其感測磁場的電流敏感度實驗數(shù)據(jù)還普遍較低.與上述這些器件相比,本文所設(shè)計的GaN基霍爾傳感器為垂直型結(jié)構(gòu),填補(bǔ)了寬禁帶材料垂直型器件研究的空白,為實現(xiàn)同一芯片三維磁場探測奠定了理論和技術(shù)支持.所設(shè)計的傳感器能穩(wěn)定工作在大于500 K的高溫環(huán)境,經(jīng)過器件結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化后,得了較大的磁場感測靈敏度和較低的溫漂系數(shù),因此該類型器件將具有良好的工作穩(wěn)定性和可靠性.

表2 基于不同材料的霍爾傳感器關(guān)鍵性能指標(biāo)對比Table 2. Comparisons of key performances of Hall sensors based on various materials.

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于寬禁帶半導(dǎo)體AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料的垂直型霍爾傳感器,通過減薄感測電極下方勢壘層厚度來降低縱向電子束縛電場,仿真工作表明器件的磁場探測敏感度得到明顯提高.本文對器件的關(guān)鍵幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,器件優(yōu)化結(jié)構(gòu)如下:勢壘層厚度d=7 nm、電極間距比值L2/L1=0.49、感測電極長度l2=1.25 μm 及臺面寬度w=3 μm.基于該結(jié)構(gòu)獲得的器件電流敏感度為 75.7 V/(A·T),在 300—375 K 和 375—525 K兩個工作溫度范圍內(nèi)器件的溫漂系數(shù)分別為637.4 和–613.0 ppm/K,器件能工作在溫度大于500 K的高溫環(huán)境.本文率先提出對GaN材料垂直型霍爾傳感器進(jìn)行設(shè)計研究,為進(jìn)一步實現(xiàn)同一芯片三維磁場探測技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ),下一步可以將垂直型和現(xiàn)有水平型霍爾傳感器在同一塊芯片材料上進(jìn)行同步制作,獲得高集成度、輕量化、更高磁場探測敏感度的高溫三維霍爾傳感器.