栅极上外加电压信号时，回路中的电流会出现剧烈的改变，因此实 现了对外加电压信号的放大。基于电放大原理，本技术方案提出了一种新型的三极管磁放 大原理如图Ib所示。当磁场改变P-n结j 1和j 3的耦合强度时，耦合区j 2空间电荷区宽度会显 著改变，因此可以有效控制三极管中的载流子的传输，实现对低场磁阻信号的放大。
[0027]在三极管磁放大原理的基础上，设计并制备了硅基平面型三极管器件。器件的结 构为：电极/Si(p+)_ Si(n) - Si(n+) /电极。采用离子注入并结合磁控溅射手段制备不同 掺杂离子浓度、空间分布的硅基三极管。图2即为本发明制备的三极管器件的正面实物图。 其中明条纹所示为SiO 2,暗条纹为磷(60 keV，lX1015 atom/cm3)离子注入后的Si。反面采取 同样的工艺制备，明条纹为SiO2,暗条纹为硼(40 keV，2X1014at〇m/Cm3)离子注入后的Si， 从而形成 Si(n+)/Si(n)/Si(p+)结构。
[0028]利用三极管耦合实现了磁阻的放大效应。在室温下，载流子的扩散长度1小于本发 明技术方案的制备器件的η区的宽度，这时三极管可以看成两个p-n结串联(图3a)。然而，随 着温度的降低，1的增加，超过η区的宽度。在这种情况下，由于注入载流子在η区域的重叠， 两个p-n结发生親合。如图3b所示，双p-n结形成親合ρ+ - η'_ ρ'-η +三极管，親合区这里 标记为j2。这一点可以从实验上得到证实。如图3c所示，存在一个40 K的临界转变温度。在 40 K以上三极管处于非耦合状态，其电流随电压增加指数上升。当温度低于40 K时，三极管 转变为耦合状态，其电压电流曲线也发生明显改变。不难看出，在电流ImA到5mA区间出现了 明显的负微分磁电阻，这实际上就是的一个典型三极管耦合效应。但是电流继续增大5mA以 上时，耦合效应被外加电场破坏，三极管电流电压曲线恢复到40K以上的变化关系。图3c中 (I)形成耦合电荷区（II)大电压下耦合区被破坏。
[0029]图4a和图4b给出的是三极管磁传感器探测磁场大小的实际曲线，可以通过肖克莱 理论:-一 β获得曲线。其中图4a测试温度300K，器件处于非耦合状态，对于无外磁场 时H = 0 T，器件在8 V工作电压下，电流I为20 mA，器件的电阻为400 Ohm。但是当外加磁 场时，在8V工作电压下，电流随着磁场的增加迅速减小。当磁场为7T时，电流减小为I mA， 这时器件的电阻变到8000 Ohm。这时磁电阻变化率为1900%。图4b测试温度为10K，器件处于 耦合状态，对于无外磁场时H = 0 T，器件在8 V工作电压下，电流I为10 mA，器件的电阻为 800 Ohm。但当施加一微小磁场时，在相同工作电压下，电流就可以随着磁场的增加显著减 小。即便当磁场为0.1 T时，电流就减小为0.02 mA，这时器件的电阻变到400000 Ohm。这时 磁电阻变化率为50000%。通过对比非耦合（图4a)和耦合（图4b)三极管磁电阻，发现耦合后 的三极管工作磁场可以从原来的7 T降低为0.4 T，磁电阻放大了约25倍，可见该原理将大 大提高此类半导体器件工作的环境及要求，对半导体工业的发展有着极大的推动作用。
[0030] 该专利关键技术在于实现了磁场对三极管中p-n结耦合的调制。为了实现这一关 键技术，在样品设计方面主要采用平面型三极管，结构为电极/Si(p+)_ Si(n) - Si(n+) / 电极。利用垂直方向对样品上、下表面分别进行掺杂。与现有单面掺杂三极管相比，垂直结 构p + -n-n+三极管的设计可以使p型区和η型区更容易实现耦合。空间电荷区的变化则通过 系统改变上、下表面掺杂浓度和注入深度来实现。另外，还可以通过控制温度来改变耦合。 随着温度的降低，载流子的扩散长度增加，因此可以连续调节三极管中P-n结耦合强度。
[0031] 为了实现掺杂离子的浓度、空间分布，不同方法有着不同的制备工艺。离子扩散技 术中主要利用炉内温度和扩散时间来实现;离子注入技术主要通过调节注入剂量和注入能 量来实现。磁控溅射则主要完成金属电极的制备。平面型三极管则是通过在硅基半导体两 面分别掺杂不同的离子来实现。顶和底电极采用两次磁控溅射方法来制备。在工艺技术和 参数条件摸索成熟后，利用光刻技术可以实现微米量级的硅基三极管的制备。
[0032]本发明技术方案提出一种基于三极管的磁放大的新机理，以此来达到对非磁性半 导体器件磁阻的增强和磁灵敏度的提高。
[0033]最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可 以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。
【主权项】
1. 一种硅基平面型三极管器件的制造方法，其特征在于，包括对晶片的上表面和下表 面分别进行掺杂硼离子和磷离子，从而形成结构为P +- η - η +的平面型三极管的步骤。2. 根据权利要求1所述的硅基平面型三极管器件的制造方法，其特征在于，形成结构为 ρ +- η - η +的平面型三极管的步骤具体包括： 步骤1、利用微电机械系统在晶片中掺杂η型粒子从而提高晶片表面电阻率； 步骤2、将掺杂η型粒子后的晶片在氧化炉中高温处理，从而在晶片表面制作氧化层； 步骤3、利用光刻机在高温处理后的晶片表面做出微条状结构； 步骤4、通过中等能量离子注入机在经步骤3处理后的晶片顶部表面和底部表面分别注 入硼离子和磷离子； 步骤5、对经步骤4处理后的晶片的顶部表面和底部表面在真空下采用磁控溅射方式生 长铜电极。3. 根据权利要求2所述的硅基平面型三极管器件的制造方法，其特征在于，上述步骤1 具体为：利用微电机械系统在晶片中掺杂η型粒子从而使晶片表面电阻率超过2000 Ω cm〇4. 根据权利要求3所述的硅基平面型三极管器件的制造方法，其特征在于，上述步骤2 具体为:在1030°C下氧化炉中处理4小时，晶片表面制作的氧化层厚度为6000 A。5. 根据权利要求4所述的硅基平面型三极管器件的制造方法，其特征在于，上述步骤4 中注入硼离子的条件为:加速电压40 Kev，粒子密度，注入磷离子的条件为:加速电压60 Kev，粒子密度。6. 根据权利要求5所述的硅基平面型三极管器件的制造方法，其特征在于，上述步骤5 中的真空为真空下。7. -种硅基平面型三极管器件，其特征在于，采用权利要求1至6任一所述的硅基平面 型三极管器件的制造方法制作。
【专利摘要】本发明公开了一种硅基平面型三极管器件的制造方法和器件，其中硅基平面型三极管器件的制造方法，包括对晶片的上表面和下表面分别进行掺杂硼离子和磷离子，从而形成结构为p+-n-n+的平面型三极管的步骤。同时还公开提出利用硅基平面型三极管器件获得低磁场下大磁电阻效应的基本原理和思路。
【IPC分类】H01L29/73, H01L21/331
【公开号】CN105679669
【申请号】CN201610189386
【发明人】隋文波, 杨德政, 薛德胜, 司明苏
【申请人】兰州大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年3月29日