一种基于异常磁阻效应的高灵敏度矢量磁场传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及磁阻传感器领域，特别涉及一种基于异常磁阻效应的高灵敏度矢量磁场传感器。
【背景技术】
[0002]磁阻效应主要包括巨磁阻效应、穿隧磁阻效应、庞磁阻效应、各向异性磁阻效应、异常磁阻效应几个类型。目前，巨磁阻效应、各向异性磁阻效应被广泛应用在磁场传感器领域(不包括磁头)。巨磁阻效应的磁场传感器是由多层材料堆叠形成，如NVE公司的一款巨磁阻抗传感器多达14层。这个结构满足了巨磁阻效应的磁场传感器需要在铁磁层中夹杂非铁磁层的需求。另外，与各向异性磁阻相比，巨磁阻存在着不易于通过差分对对温度偏差补偿的问题，由于传感器的不同桥臂需要的工艺处理不同，导致器件工艺较为复杂，此外，传感器还需要较大的磁场实现非铁磁态到铁磁态的转变。因此，巨磁阻传感器通常适用于需要较大磁阻变化但是对灵敏度要求不高的应用场合。各向异性磁阻的磁场传感器中用于置位/复位的均压环以及用于偏移补偿操作的均压环，使各向异性磁阻传感器制造工艺复杂并且其制造成本也相应增加。当需要测量沿两个或三个轴线的磁场时，必须对每个轴线上的磁阻元件提供用于置位/复位的均压环和用于偏移补偿的均压环，因此，对传感器大小的要求很高，其制造难度大。由于巨磁阻和各向异性磁阻元件中都包括铁磁材料，因此，铁磁材料自身会对被测磁场产生干扰，并且易于受磁噪声和自旋转矩不稳定的影响。
[0003]异常磁阻效应(Extraordinary Magnetoresistance, EMR)是指在半导体与金属组成的复合器件中，磁场的增加可以使载流子偏转，部分电流无法从金属中流过转而流经半导体，造成的磁阻值增加。异常磁阻效应是2000年由S.A.Solin等人发现的一种新型磁阻效应。与巨磁阻GMR、各向异性磁阻AMR、和庞磁阻CMR等其他类型磁阻不同，异常磁阻不需要铁磁材料。
[0004]如图la、Ib所示，异常磁阻效应的原理:将异常磁阻元件简化为一个二维模型，因为金属材料的导电率较高，所以金属材料12为等势体，电场线垂直于边界线。如图1a所示，在磁场较弱情况下，载流子直接从金属材料12中流过，金属材料12起的作用就像是短路一样，电流J与电场E平行。如图1b所示，在较强磁场条件下，载流子在输运过程中被Lorentz力偏转，造成电流J与电场E之间角度的偏差(Hall angle)。如果磁场条件足够强，Hall angle可以达到90°，这种情况下，电流J与窄带半导体11/金属材料12接触面平行，所述的电流流线13绕流金属导电结构，就像开路一样。弱场下的短路与强场下的开路之间的变换造成了很大的阻抗变化，使得异常磁阻效应有很大磁阻值。
[0005]目前，异常磁阻效应的研宄主要分为两类，一种是通过范德堡形状研宄异常磁阻效应的物理机制，如图2a所示，21a、21b、21c、21d均为金属电极，电流从21a流入，从21d流出，在21b和21c两端测量电压，22为高导电率金属材料。依据这种结构，可以分析不同材料、金属导电结构大小、形状、接触阻抗等因素对异常磁阻效应的影响。但是，范德堡形状的传感器的响应曲线一般为抛物线，线性度较差，而且对磁场方向不敏感。另外一种是通过平面异常磁阻结构(Planar Extraordinary Magnetoresistance)设计磁场传感器，结构示意图如图2b所示，电流从21d流入，从21a流出，在21c和21b两端测量电压，22为高导电率的金属材料。在磁场的作用下，更多的电流流线13将流经半导体23，造成磁阻的增加。简单的平面异常磁阻结构对于磁场的响应表现为二次特性，例如文献l(Pisana S，et al.Tunablenanoscale graphene magnetometers [J].Nano letters, 2009, 10(1):341-346.)中的实验结果。通过改进平面异常磁阻结构中的层状半导体的材料和堆叠、电极的位置，可以得到线性响应，如文献US 8，711，523中图8所示，其器件的灵敏度为2 X 10_4V/T，但是现有器件的灵敏度较低。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于，为克服现有的异常磁阻传感器在灵敏度和线性度方面的不足，本发明提供了一种基于异常磁阻效应的高灵敏度矢量磁场传感器。
[0007]本发明提供了一种基于异常磁阻效应的高灵敏度矢量磁场传感器，其包括:传感器基底和置于基底上的四个及四个以上的异常磁阻器。所述的异常磁阻器是由磁阻元件之间等间距或不等间距串联组成，所述的四个及四个以上的异常磁阻器之间具有对称的磁阻元件连接形式。所述的四个及四个以上的异常磁阻器通过金属、半导体材料或二维材料与电极相连接，构成惠斯通电桥。所述的惠斯通电桥在两相对半桥臂上，具有相同的所述的异常磁阻器，同一桥臂上的两个异常磁阻器在相同磁场变化下，电阻值变化相反，形成差分对，实现对磁场的线性响应，同时可以分辨磁场方向。所述的惠斯通电桥的两个相对电极作为输入端，输入恒流源或恒压源，在另外两个相对的电极测量输出电压值。此结构的基于异常磁阻效应的高灵敏度矢量磁场传感器仅对垂直于基底平面方向的磁场敏感，可以分辨磁场方向，实现矢量测量。
[0008]所述的异常磁阻器由至少一个磁阻元件组成，所述的磁阻元件是由至少一个传导元件和至少一个半导体材料或二维材料条带电接触形成。所述的半导体材料或二维材料条带与所述的传导元件之间为上下结构，所述的半导体材料或二维材料条带在底层，所述的传导元件堆叠在所述的半导体材料或二维材料条带之上。所述的其他传导元件和半导体材料或二维材料条带之间的结构也具有上述结构特征。所述的基底是基于半导体工艺，在单晶硅片或掺杂硅片上生长一层绝缘层作为基底，绝缘层材料包括但不局限于二氧化硅。
[0009]在所述的惠斯通电桥中，在两相对半桥臂上，所述的传导元件与所述的异常磁阻器长轴呈Θ角，在另外两相对半桥臂上，所述的传导元件与所述的异常磁阻器长轴呈一 Θ角，其中 Θ e (O。，90。)。
[0010]所述的传导元件由一层或多层高导电率的金属材料堆叠形成，以减少与底层半导体材料或二维材料接触阻抗，同时保持较高的电导率。所述的半导体材料条带由具有高迀移率的半导体或二维材料构成。根据所述的半导体材料与所述的传导元件之间的接触状况，所述的传导元件直接与半导体材料或二维材料条带大面积电接触；或者刻蚀半导体条带下部分半导体，仅保留部分所述的半导体材料或二维材料与所述的传导元件的小面积接触。
[0011]所述的传导元件在横切于异常磁阻器长轴方向上延伸，延伸可至半导体材料或二维材料条带的边缘。
[0012]所述的磁场传感器的灵敏度优于0.64V/T，所述的磁场传感器的灵敏度是随着所述的磁阻元件的个数的增加而增加。
[0013]所述基底的背面设有门极，所述的门极为沉积的金属层。可以通过在门极施加一定的电压实现对所述的半导体材料或二维材料性能的调制。
[0014]本发明的优点在于:所述的基于异常磁阻效应的高灵敏度矢量传感器，传感器结构简单，线性度更好，可分辨磁场方向，灵敏度更高且灵敏度可调节。
【附图说明】
[0015]图1a是磁场较弱的情况下，异常磁阻传感器的原理及电流流线分布图
[0016]图1b是磁场较强的情况下，异常磁阻传感器的原理及电流流线分布图
[0017]11、半导体12、金属材料13、电流流线
[0018]图2a是范德堡形状异常磁阻传感器
[0019]图2b是矩形形状异常磁阻传感器
[0020]13、电流流线
[0021]21a、21b、21c、21d 均为金属电极
[0022]22、高导电率金属材料
[0023]图3a是基于异常磁阻效应的高灵敏度矢量传感器的顶视图和磁阻元件的顶视图
[0024]60、绝缘基底100、磁场传感器
[0025]31a、31b、32a、32b分别为电极 1、2、3、4分别为异常磁阻器
[0026]34、36、41、44分别为金属导电结构 33、38、39、40分别为半导体结构
[0027]35、37、42、43分别为半导体材料条带
[0028]34!、342、343、344、345为传导元件
[0029]36P 362、363、364、365为传导元件
[0030]41ρ412、413、414、415 为传导元件[0031 ]441、442、443、444、445为传导元件
[0032]35^35^35^354均为半导体材料条带35的一部分
[0033]37^37^37^374均为半导体材料条带37的一部分
[0034]42P422、423、424均为半导体材料条带42的一部分
[0035]43P432、433、434均为半导体材料条带43的一部分
[0036]图3b是图3a的高灵敏度矢量传感器的磁阻元件A的局部放大图
[0037]101磁阻元件 442为传导元件
[0038]AS1、432均为半导体材料条带43的一部分
[0039]图4是图3的磁场传感器沿着截面线X1-XI的截面图
[0040]50、硅片或掺杂硅片 60、绝缘基底
[0041]70、半导体材料39、半导体结构
[0042]^、^、^、^、仏为传导元件
[0043]441、442、443、444、445为传导元件
[0044]42P422、423、424均为半导体材料条带42的一部分
[0045]43P432、433、434均为半导体材料条带43的一部分
[0046]39是半导体条带70的一部分
[0047]图5是图3的磁场传感器沿着截面线XV-XV的截面图
[0048]50、硅片或掺杂硅片 60、绝缘基底
[0049]31a、电极 31b、电极
[0050]33、半导体结构 40、半导体结构
[0051]图6a是具有第一表面和第二表面的基底的示意图
[0052]50、硅片或掺杂硅片
[0053]图6b是在基底上生长一层绝缘层二氧化硅的示意图
[0054]50、硅片或掺杂硅片 60、绝缘基底
[0055]图6c是在绝缘层二氧化硅表面生长半导体的示意图
[0056]50、硅片或掺杂硅片 60、绝缘基底70、半导体材料
[0057]图6d是在半导体表面图形化了的光刻胶的示意图
[0058]50、硅片或掺杂硅片 60、绝缘基底
[0059]70、半导体材料 51、图形化了的光刻胶
[0060]图6e是在图6d表面蒸镀金属和背面金属电极——门极80的示意图
[0061]50、硅片或掺杂硅片 60、绝缘基底
[0062]70、半导体材料 80、金属电极
[006