专利名称：磁场传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体材料的磁场传感器。
在考虑现有技术之前，先讨论一下半导体性质。半导体磁场传感器利用电传输效应而工作，广义地说，存在着三种分别出现在低温、中等温度、以及高温下的重要导电区，即不饱和非本征导电、饱和非本征导电、以及本征导电。在不饱和非本征区内，热能不足以使所有的杂质离化，且由于提高温度能够使更多的杂质离化而使载流子浓度依赖于温度。由单一品种的掺杂剂杂质，亦即施主或受主，激活出载流子。主要由一种带中的一种载流子，亦即导带中的电子或价带中的空穴而不是二者来形成导电。饱和非本征区与此相似，但出现在更高的温度下，在此温度下，实际上所有的杂质都已经被离化，但热能不足以使显著数量的价带态被离化以致产生电子-空穴对，此时的载流子浓度基本上与温度无关。
在本征区内价带态的热离化对导电有重要贡献，除了由杂质激活的一种载流子之外，还产生二种载流子，亦即电子-空穴对。导电是由二个带中的二种载流子，亦即导带中的电子和价带中的空穴造成的。在此区内，由于电子-空穴对的浓度与温度有关，故电导率随温度而变化。在非本征区与本征区之间存在着一个中间过渡区，其中导电部分是非本征且部分是本征，导致一种电荷载流子多于另一种，亦即多数载流子和少数载流子，在Ge中，依赖于掺杂，该过渡区出现在室温或室温附近的温度下。本征导电的开始温度依赖于带隙和掺杂剂浓度；在轻掺杂的窄带隙半导体中，能够在低达150K的室温以下的温度下发生。
诸如Si和GaAs之类的在室温下具有饱和非本征区的材料，尽管其迁移率性质差，但对于磁场传感器应用来说是优选的，这是由于霍耳效应或电阻需要基本上不依赖于温度。与若被充分提纯则在室温下为本征的Ge类比，轻掺杂的Si有时被错误地认为是本征的，例如在PIN二极管中，其中的高电阻率I(“本征”)区在室温下实际上是非本征的。目前能够得到的最纯的Si，要在室温下成为本征，其纯度还差一个数量级以上。
多年来已经熟知了涉及半导体材料的磁场传感器。它们包括(a)响应于外加磁场而改变电阻的磁阻传感器，以及(b)借助于产生正比于传感器电流和场强的电压而响应于磁场的霍耳效应传感器。
在磁场B中，非本征磁阻传感器的电阻RM由下式给出RM＝R0(1+μ2B2)(1)其中，μ是电荷载流子迁移率，R0是不存在磁场时的传感器电阻。磁阻对方程(1)的贡献为μ2B2R0，随迁移率和磁场二者的平方而变化。
常规霍耳效应传感器装置由承载横向磁场中的纵向电流的正方形半导体材料块组成，产生正交于磁场和电流二者的霍耳电压VH，对于以这种方式排列的非本征半导体，VH由下式给出VH=Eyty=1nejxbzty---(2)]]>其中，Ey＝霍耳效应电场；ty＝跨越其上测量VH的半导体厚度；n＝电荷载流子浓度；e＝各个电荷载流子上的电荷(电子为负，空穴为正)；jx＝单位截面积半导体中的电流密度；Bz＝磁场；而下标x、y、z表示所指参数的x、y、z坐标和方向。
对于具有一种电荷载流子的非本征区，霍耳系数RH被定义为RH=EHjxBz=1ne---(3)]]>若半导体处于具有二种电荷载流子的本征区中，则情况比方程(3)所示更复杂。
给出材料的电导率σ、σ＝neμc(4)其中，μc是导电迁移率。
将方程(3)与方程(4)相乘，可得到被称为霍耳迁移率的载流子迁移率数值μH，亦即
μH＝σRH(5)若导电是非本征的，则霍耳迁移率不同于电导率迁移率，其差异数值依赖于载流子散射机制。然而，霍耳迁移率和电导率迁移率遵循同一个通用原则，以下将同等处理并称之为μ。若导电是本征的，则霍耳系数的表达式更复杂，并依赖于磁场。
为便于测量，希望霍耳电压大；利用大电流密度能够达到这一目的，这就要求低的电阻率来限制功耗因而要求高的载流子迁移率。对于磁阻传感器，也希望具有高的载流子迁移率来降低电阻从而降低功耗并提高磁阻对磁场的灵敏度，方程(1)已经表明这是随迁移率平方而变化的。诸如InSb或InAs之类的窄带隙半导体最好地满足了这一迁移率标准。InSb的电子迁移率μe为8m2V-1s-1，几乎是GaAs电子迁移率0.85m2V-1s-1的10倍，依次好于Si的电子迁移率。
尽管其迁移率性质极好，但窄带隙半导体由于在室温下是本征的而一般不被用作霍耳效应或磁阻传感器。这导致低的霍耳系数和霍耳电压，并导致霍耳电压和传感器电阻随温度变化；这与磁场传感器的重要要求，亦即其对磁场的响应应该对温度变化比较不灵敏的要求相抵触。本征区的另一个结果是霍耳效应随磁场的非线性(磁阻与区域无关而随磁场平方变化)。这些问题已经对窄带隙半导体在工作于室温(290K)或以上的磁场传感器中的应用设置了障碍，特别是为了降低载流子浓度的温度依赖性(亦即使之非本征)而必须对其进行重掺杂。由于这明显地降低了其载流子迁移率，抵消了其优点，故势必会达不到其使用目的。
常规的磁场传感器工作于饱和非本征区，其中载流子浓度基本上恒定且不产生电阻和霍耳效应不希望有的变化。但由于迁移率随增强了的声子散射和电子-空穴散射开始所造成的温度上升而降低，故出现电阻和霍耳效应的温度依赖性。
基于硅技术的现有技术磁场传感器倾向于物理上坚固，并被广泛地应用于恶劣环境中的汽车工业。例如被应用于低噪声最为重要的无电刷光盘(CD)驱动马达中。但它们存在着灵敏度与温度有关的普遍问题，且其灵敏度对于某些应用来说是不充分的。
本发明的目的是提供一种磁场传感器的变通形式。
本发明提供了一种组合有半导体传感器元件的磁场传感器，此半导体传感器元件具有有源区，其中在工作中产生响应于磁场的信号，其特征是此传感器元件(a)当不被偏置并在正常工作温度下时，处于至少部分本征导电区中；(b)包括一个可偏置的结，以便降低有源区中的本征导电，并将电荷载流子主要限制为仅仅对应于非本征饱和区的一种；以及(c)包括用来探测有源区(14e，53e)中响应于外加磁场产生的信号的装置。
在美国专利No.5016073的光电二极管中，已知上述类型的可偏置结。
本发明的优点是能够用迄今认为由于本征导电而不适合的高迁移率材料来制作磁场传感器。而且，在霍耳效应传感器的情况下，能够获得霍耳效应与磁场关系之间改进了的线性，这是降低本征导电，亦即同等数量清除电子和空穴并将导带和价带二者中的导电改变为基本上仅仅由一种载流子在一种能带中的导电的结果。实际上，本征导电没有完全消除，而是被降低到了可忽略的份额。
可偏置的结可以是一种用来从有源区排除少数载流子的排除接触，可以是掺杂浓度不同的锑化铟材料之间的同质结或锑化铟与带隙比锑化铟更宽的材料之间的异质结。
此传感器可以是十字形霍耳效应传感器，它具有4个臂从中伸出的中心区域，至少一个臂被连接到用来在被偏置时耗尽有源区的少数载流子浓度的排除接触，第一对臂可被连接到电流源，而第二对臂可被连接到霍耳电压测量装置。各个臂可以被连接到各个排除接触，且第二对的各个臂可以具有邻近中心区域的锥形部分。
可偏置的结可以是一种用来从有源区抽取少数载流子的抽取结。可以是多数载流子类型不同且带隙不同的材料的二个传感器区域之间的结，且为了防止电子隧穿可以足够厚，而为了避免与其有关的材料中的弛豫应力可以足够薄。可以是n型InSb与In1-xAlxSb的异质结，其中x为0.10-0.5，或0.15-0.2，或基本上为0.15。
此传感器可以是具有4个臂和一个中心区域并具有4个相继排列的层的十字形，其中二个相邻层是一种多数载流子类型的，而二个其它的相邻层是另一种多数载流子类型的，此结可以是有源区层与带隙和多数载流子类型不同的另一层之间的异质结，第一对臂可被连接到电流源，第二对臂(14b，14d)可被连接到霍耳电压测量装置，且此结是用传感器衬底连接的可反向偏置的抽取结。4个相继排列的层可以是n+npp+结构，且第二对臂可以具有邻近中心区域的锥形部分。第二对臂可以具有连接中心部分的接触区，它小于第一对臂各个臂的臂宽度的10％。
该结可被布置用于在正常工作中抽取电流沿基本上正交于电荷载流子被磁场偏转的方向流动。
传感器中的有源区可以是p型和可偏置的结抽取。可以配备有δ掺杂层形式的电荷载流子主源。可以组合在其中提供导电路径的量子阱。传感器本身可以是n+-p--量子阱-p--p+二极管结构。
此传感器也可以是n+-p-p+-p+二极管结构。
在另一种情况下，本发明提供了一种探测磁场的方法，其特征是包括下列步骤a)提供组合有半导体传感器元件的磁场传感器，此半导体传感器元件具有有源区，其中在工作过程中产生响应于磁场的信号，此传感器元件在不被偏置时，在正常工作温度下处于至少部分本征导电区，且包括可偏置的结，以便降低对有源区中导电的本征贡献，并将电荷载流子主要限制为仅仅对应于非本征饱和区的一种；b)对传感器有源区和结进行偏置，以便在有源区中提供电荷载流子流和对应于非本征饱和区的传感器工作，并将磁场施加到有源区；以及c)探测有源区至少部分响应于磁场而产生的信号。
可以在恒定电压下执行偏置传感器有源区的步骤，探测信号的步骤涉及到探测电压信号。
此传感器可以是霍耳效应传感器，偏置传感器有源区的步骤涉及到对其施加恒定的电流，而探测信号的步骤涉及到探测电流信号。
为了更透彻地理解本发明，以下将参照附图仅仅以举例的方式来描述本发明的实施方案，其中
图1是霍耳效应器件形式的本发明的磁场传感器的示意平面图；图2是沿图1中II-II线的剖面图；图3示出了图1和2的传感器的能带结构；
图4示出了本发明另一种传感器的能带结构；图5示出了本发明的其它传感器；图6是沿图5中VI-VI线的剖面图；图7是图5的传感器的能带图；图8示出了图5的传感器的中心区域；图9提供了图5所示传感器的另一种几何结构；图10示出了各种传感器工作条件下对n型InSb中电子迁移率的贡献；图11示出了温度变化对平衡和抽取InSb的霍耳系数RH的影响；图12示出了平衡和抽取InSb的霍耳系数RH随磁力线密度的变化；图13是图1的传感器的电路；图14是图5的传感器的电路；图15是磁阻器件形式的本发明的磁场传感器的剖面图；而图16是组合有量子阱的本发明的磁阻传感器的剖面图。
参照图1和2，分别示出了本发明的霍耳磁场传感器10的平面图和剖面图。它组合了具有4个从正方形中心区14e延伸的臂14a-14d(总起来说是14)的n型锑化铟(InSb)的十字形层12，臂14a和14c正交于臂14b和14d。臂14的末端长度部分被各由铝(Al)电极18a-18d(总起来说是18)分别覆盖其上的相应的n+型InSb层17a-17d(总起来说是17)组成的区域16a-16d(总起来说是16)覆盖。n+中的上标“+”表示比层12高得多的掺杂浓度。
传感器10具有由蓝宝石、高电阻率硅(＞50Ω/□)、或绝缘GaAs组成的绝缘衬底20。如所示，InSb层12被胶22固定到衬底20，但也可以直接生长在诸如半绝缘GaAs之类的衬底上。4个电极18中的每一个与其各自的n+型InSb层17形成欧姆接触，并被键合到各个连接引线19。
图3是n和n+型InSb层12和17的能带结构图30。图3示出了具有图2中部分36b和36d的层17与12之间的未被偏置的n+n结36的导带32和价带34。
传感器10如下工作。它是一种少数载流子排除器件，其中各个n+型层17形成一个具有下方n型层12的n+n同质结36。如上所述，从Elliott和Ashley的美国专利No.5016073的光电二极管已知载流子的排除。偏压被施加到相反的臂14a和14c上的接触18a和18c上，接触18a相对于18c为正。相反的臂14b和14d上的接触18b和18d是用来测量霍耳电压的电压探针。由于n+型层17a被重掺杂，故具有可忽略的少数载流子(空穴)浓度。因此能够从层12接收多数载流子(电子)，但由于缺少少数载流子，故少数载流子(空穴)几乎不可能返回。n+n同质结17a/12或36因而是一种排除接触，亦即电子(多数载流子)从层12自由地流到层17a，但仅仅有小得多的空穴(少数载流子)电流沿反方向从层17a流到层12。
而且，在层17c与12之间的反n+n同质结处，空穴从层12被清除。结果，在接触18a和18c上施加偏压就导致层12中少数载流子浓度由于空穴从其被去除但不完全被填满而变得被耗尽。此层中的多数载流子浓度由于电荷中性条件而必然如少数载流子浓度同等下降；电子和空穴因而等量减少，这就降低了对层12中导电的本征贡献(非本征贡献的降低可能仅仅影响多数载流子的类型)。排除区，亦即以这种方式耗尽电荷载流子的区域，延伸通过n+型层17a和17c之间的臂14b和14d中的层12。
借助于在n+型层17上淀积一个Cr的籽晶层，然后在其上淀积更厚的Au层，可以用铬-金(Cr-Au)电极来代替Al电极18。
如相似地参照上述部分的39A-39C处所示，可以用n型材料的层40，或也可以用n层41和n+层42二个层，来代替各个n+型InSb层17；此处n(以及p)中的下画线表示带隙比无下画线等同者亦即n更宽的材料。图4是能带结构图，示出了用x＝0.15的In1-xAlxSb的n型材料的层40代替层17的结果。对形成在n型层40与n型InSb层12之间的未被偏置的nn异质结46示出了导带43和价带44。
n型层40由于其宽的带隙导致比带隙更窄的材料更少的电子-空穴对被热激发而具有低的少数载流子(空穴)浓度。施加在接触18a和18c上的偏置电压将空穴从n型层12去除，它不能代之以从n型层40清除空穴，因为其缺乏空穴。相似的论点适用于层41和42。
现在参照图5，示出了本发明的另一种霍耳效应传感器50。它组合有n型锑化铟的十字形结构，具有从正方形中心区53e延伸的4个臂53a-53d(总起来说是53)，臂53a和53c正交于臂53b和53d。臂53的末端部分被由铝电极(未示出)覆盖其上的各个n+型InSb层54a-54d(总起来说是54)覆盖。臂53和中心区53e，由参数a、b、c表示，其中a＝臂53的长度+正方形53e的边b＝臂53的长度c＝a-b＝臂53的宽度＝正方形53e的边图6是沿图5中VI-VI线的垂直于图5平面的剖面图，示出了传感器50的层结构。此图未按比例绘出。传感器50包含InSb或GaAs衬底62上的厚度为2μm的p+型InSb层64。层6 被十字形结构52覆盖其上，十字形结构52包含厚度为2nm的x为0.1-0.5，最好是0.1-0.2，例如0.15的p+型In1-xAlxSb层66。层66被从中构成臂和中心53的厚度为0.5μm的n型InSb层53覆盖。各个臂53末端部分上的电极层54b和54d是厚度为0.3μm的n+型InSb。n+型层54、n型层53、以及p+型层66各具有位于各个平面74和76内的二个端面，对应于臂53的端面。端面74和76连接制造在p+型InSb层64上的场绝缘体78。也可以采用聚酰亚胺层来代替场绝缘体。Al接触层80和82被制作在各个n+型InSb区54及其邻近的场绝缘体78上。衬底62具有铝的第五欧姆接触84。
图7提供了不存在任何外加偏压时传感器50的能带结构，包含导带102、价带104、以及费米能级106。n+型层54与n型层53在第一界面108处形成4个n+n同质结；n型臂和中心53与p+型层66在第二界面110处形成np异质结；p+型层66与p+型层64在第三界面112处形成p+-p+异质结。
p+型层66在导带102中形成势垒，禁止电子从p+型层64流到n型和n+型层53和54。
传感器50如下工作。半导体层64、66、53、54形成4个n+npp+二极管结构，图6中示出了其中二个。层64、66、53以及np结110被所有4个二极管共用，但各具有图5所示的分立的层54。借助于在衬底电极84与表面电极80或82之间施加电压，np结110被反向偏置。这对于从n型区53抽取少数载流子来说具有重要的作用。
在现有技术中已知载流子抽取的原理，而且例如在欧洲专利No.EP0167305以及美国专利No.5016073中有所描述。它包含以大于其返回的速率从半导体区清除少数载流子；这发生在少数载流子扩散到其中并在其中被抽取和失去的被偏置的pn结处。载流子跨越np结界面110的输运包含(a)具有足够的热能来越过结势垒的多数载流子的导电电流；以及(b)扩散到结，并被其电压降扫过结的少数载流子的扩散电流。
于是，跨越np结界面110、112的载流子输运包含(a)从p+型区64到n型区53的空穴导电电流；(b)从p+型区64到n型区53的电子扩散电流，由于p+和p中少数电子很少，此电流非常小；(c)从n型区53到p+型区64的电子导电电流，此电流也非常小；以及(d)从n型区53到p+型区64的空穴扩散电流。
在下列工作定性描述中，忽略了很小的电子电流。
在不存在偏压时，跨越各个界面108、110、112的导电和扩散空穴电流和电子电流是平衡的，亦即传感器50处于平衡。偏压被施加到各个二极管结构上，致使界面110处的np结110被反向偏置；结果，扩散到界面110的n型十字形层53中的少数载流子(空穴)被其电位差扫过界面。同时，此电位差禁止空穴从层66流到十字形层53。反向偏压因而明显地降低从十字形层53到p+型区64的电子导电电流以及从p+型区64到十字形层53的空穴导电电流。空穴因而从n型区53被扩散清除，且由于界面110处反向偏置的np结的势垒而不能够被导电从p+区64完全归回。如先前指出的那样，这是少数载流子抽取效应。
十字形n型层53接收来自n+层54的由于其空穴浓度非常小而小得可忽略的空穴(少数载流子)电流这是少数载流子排除效应。结果，扩散到界面110且抽取到p+型层66的层53中的空穴不能被适当地从n+层54补给，十字形层53中的少数载流子浓度因而被降低。如先前所述，根据电荷中性条件，多数载流子浓度降低的程度必须与少数载流子浓度降低程度相同，亦即，电子和空穴浓度对应于电子-空穴对的减少而同等地下降从而减少对十字形层53中导电的本征贡献。
在传感器50的工作中，np结110反向偏置，传感器10以相反的成对接触16a/16c之间流动的偏置电流起作用，其正接触是排除接触。传感器10和50二者工作时，其n型层12和53的电子-空穴对浓度都低于平衡浓度；这些层是磁场测量的有源区，跨越成对接触层16b/16d和54b/54d，可探测到霍耳电压。在传感器10中，在负偏置的接触附近，由于载流子积累，故载流子浓度高于平衡浓度。
图8是传感器50的中心正方形区53e与支持用p+型层64和衬底62一起的三维视图。臂53由虚线表示。122处示出了笛卡儿坐标轴，用来定义磁场方向和电流流动方向。中心正方形区53e的表面处于XY平面内，具有分别平行于X和Y轴并垂直于Z轴的成对的边。通过传感器50的电流具有第一和第二分量Iplane和I⊥，用箭头124a和124b表示。第一电流分量Iplane基本上在n型层53内平行于X轴在相反的臂53a和53c之间流动。
第二分量I⊥平行于Z轴流动并由偏置np结110引起。因此，严格地说不在区域53e中流动，而是由流到臂53上各个末端层54的4个部分组成，为了便于参照而被包括在图8中。它源自n型层53中的热电荷载流子激发，因此，沿平行于Z轴直到p+型层66的方向，相关的空穴流基本上均匀，而起源于n型十字形层53且不直接在n+层54下方的电子流横向且向上流动到n+层54。
电压被施加在区域54a和54c之间，以便建立对应于平行于X轴流动的电流密度jx的电流Iplane。再次参照图6，可以看到传感器50经受了抽取和导电电场。抽取场被分别施加在衬底电极84与各个4个臂末端层54a-54d之间。导电场被施加在第一对相反的臂末端层54a与54c之间。抽取场引起电流分量I⊥，这是平行于Z轴的二极管漏电。导电场产生电流密度为jx的电流分量Iplane，由于np界面110对场渗透到p型层64起阻挡作用，故这主要是n型层53中的电子流。传感器50处于平行于Z轴因而正交于图5平面的磁场BZ中。电流Iplane和磁场BZ在平行于Y轴的中心区53e中产生霍耳电压，此电压可在第二对臂末端层54b和54d之间测量得到。
电流Iplane基本上被限制在n型层53，因而在此层中产生霍耳电压。但由于传感器50中n+npp+结构的载流子抽取和排除性质，对载流子浓度的本征贡献如上所述被减小。导电和霍耳效应主要由载流子浓度基本上与温度无关的饱和非本征区中的非本征导电造成。而且，抽取降低了载流子浓度，这就降低了电子-空穴对散射及其对载流子迁移率的影响，这又使对温度改变的灵敏度变得更小。
参照图9，示出了传感器的一种变通形式128。除了中心区53e附近削尖到宽度d的霍耳电压传感臂53b和53d之外，此变通形式与传感器50(相似的部分用相似的参考号表示)相同。其中未被削尖的所有臂53的宽度为c，且d小于c；最好是d小于c的十分之一。
在传感器50的工作中，少数载流子从中心区53e被抽取。引起电流I⊥的偏压场因而必须不仅从臂53a-53d的各个末端，而且还要从整个中心区53e的n型层53抽取电荷载流子。各个臂53a-53d与中心节点53e一起的长度，亦即尺寸a，必须足够短，以便抽取能够延伸到整个各个臂53a-53d与中心节点53e。但体现霍耳效应的路径长度必须足够长，以便使电荷载流子能够被偏转而产生可测量到的信号。
对传感器10的限制是必须避免电荷积累在中心区14e中。当臂末端层16a和16c被偏置时，相对被负偏置的那些电荷就积累。积累必须离中心区14e足够远，以便确保不减弱载流子抽取。因此，这提供了各个臂53a-53d的最小长度(图5中的尺寸b)，这取决于传感器工作条件，并受下式给定的上游扩散长度Ld限制Ld≈{12[-qEkT-qEkT+4l2]}-1---(6)]]>其中，E＝外加电场；q＝载流子电荷；k＝波耳兹曼常数；T＝传感器绝对温度；而1＝0场载流子扩散长度。
零场载流子扩散长度1由下式给定l=Dτ---(7)]]>其中D＝电荷载流子扩散系数；而τ＝电荷载流子平均寿命。
在传感器50中，霍耳电流Iplane受二极管漏电流I⊥的影响。为了减小这一影响，Iplane最好比I⊥大得多。但I⊥依赖于跨越传感器50的n+npp+结构的偏置电压Vbias，而Vbias必须大得足够确保有效的抽取。作为变通，也可以使Iplane尽可能在传感器50能够承受的功率密度所确定的限度以内。这意味着Iplane流过的截面积小，借助于减小n型层的高度tz和宽度c，是可以达到的。n型层53的最小高度决定于其必须支持的耗尽区的宽度。这随掺杂水平和偏压幅度而变化。于是，对于一个给定的掺杂水平和偏压强度，唯一剩下的可变参数是十字形结构53的边宽度c。稍后将讨论c的适当数值。
相似的论点适用于传感器10，其偏压必须大得足以确保适当的载流子抽取。
如图10、11、12所示，比之现有技术的平衡器件，传感器10和50表现出性能方面的改善。这些图基于涉及施主浓度为1016cm-3的n型InSb层53的计算。它们包括电子和空穴对霍耳效应的贡献二者的作用，因而比先前给出的近似更为复杂。传感器10和50中的载流子浓度因而也是霍耳系数不完全与温度无关，而是其变化对于大量应用而言足够小(50K内大约变化30-40％)。下面的例子对此有改善。
在来自一个以上能带的载流子亦即电子和空穴对导电性有贡献的传感器中，霍耳电压VH的表达式更为复杂，并与磁场有关。例如见Butterworth and Co.，1960年出版的E.H.Putley所著标准教科书“The Hall Effect and Semiconductor Physics”第4章。在迁移率比硅高的材料中，磁场依赖性更明显。
根据表达式(2)和(3)，取代电流密度jx=Ixtytz:]]>其中，tz＝平行于磁场的传感器厚度尺寸，Ix＝正交于霍耳和磁场的纵向传感器电流，而其它参数先前被定义。VH=RHBIxtx---(8)]]>图10给出了不同散射机制和工作条件下n型InSb的电子迁移率μe对温度的4个曲线132-138。示出了当电子和空穴二者都对导电有贡献时，窄带隙半导体的霍耳系数RH的温度灵敏度。第一曲线132对应于迁移率仅仅受来自离化杂质和来自电子-空穴对的散射的影响。第二曲线134表明了仅仅受光学声子散射影响的迁移率分量的温度变化。第三曲线136表明了来自引起第一和第二曲线132和134的贡献总和的载流子迁移率。这3个曲线132、134、136是根据平衡载流子浓度产生的。第四曲线138是已经抽取了对导电的本征贡献时，迁移率μe随温度T的变化。
将曲线136与138进行比较，表明了根据本发明的传感器的载流子抽取的有利效果，因为抽取提高了大约250K以上温度下的迁移率在更高的温度下，平衡曲线136与抽取曲线138之间的差异变得更为明显，导致更大的霍耳系数和磁阻。这二个曲线的梯度之间的比较表明，迁移率随温度T的变化也被抽取稍许减小。这就减小了霍耳系数和磁阻的温度依赖性。
图11给出了分别在平衡状态和抽取状态下的0.3T磁场中，InSb半导体的霍耳系数RH对温度的二个曲线142和144。在平衡曲线142中，RH在150K-500K的区间内大约降低了二个数量级。第二曲线144是根据本发明经历少数载流子抽取的传感器50的RH随温度的变化；此处RH在相同的区间内基本上不依赖于温度，表明了本发明的传感器在温度不灵敏性方面的优异性。
图12示出了各种温度条件下的平衡和抽取InSb的RH对外加磁场的4个曲线152、154、156、158。表明了当电子和空穴二者都对导电有贡献时，在本征区中窄带隙半导体的RH的磁场灵敏度。曲线152是本发明的抽取传感器的，表明RH至少基本上与磁场无关。曲线154是200K下平衡状态中的传感器，表明RH仅仅稍微依赖于磁场，在0.1T-1.5T范围内降低大约3％。曲线156和158分别是300K和400K下平衡状态中的传感器；这些曲线表明RH的符号反转，并在0.1T-1.5T之间，在一种情况下从+200cm3/C降低到-10cm3/C，而在另一种情况下从+30cm3/C降低到-50cm3/C。这表明了本发明的传感器在磁场效应方面的优异性。
影响工作的本发明传感器的参数如下(a)传感器工作温度范围传感器电流密度随工作温度(例如370K)而增大，这可能引起具有足够能量的电荷载流子跨越界面110处的势垒；
(b)In1-xAlxSb势垒层66的组分下面的表1给出了对于一系列势垒材料(x数值)和施主浓度Nd，漏电流密度与传感器工作温度的函数关系；(c)电流二极管漏电流I⊥最好是霍耳电流Iplane的1％，虽然以大约10％ Iplane的I⊥可以获得可接受的传感器测量精度。
(d)n型层53的掺杂浓度这限制最大电流。
(e)功率密度这必须在层53内被限制在可承受的水平，以便避免热失控，例如大约100W/cm2。对于传感器50，功率密度Pd由下式给定Pd=Iplane2(enμl2t2)---(9)]]>其中Iplane＝层53平面内流动的电流；e＝载流子电荷；n＝载流子浓度；μ＝载流子在层53内的迁移率；1＝传感器电流的路径长度；而tz＝层53的厚度。
(f)外加电压除了霍耳电压VH之外，二个其它的电压与传感器50相关衬底电极84与臂电极80或82之间的电压Vbias(例如0.5V)将np结110反向偏置；相反的臂53a和53c之间的电压Vdrive驱动着电流Iplane。电压Vbias从n型区抽取热产生的电荷载流子，并影响到抽取的pn结的耗尽层厚度。
(g)n型层53的厚度tz应该足以支持pn耗尽层对于1016cm-3的掺杂和1V的Vbias，最好是0.5μm。
(h)p+型层66的厚度最好是20nm。此层提供了厚度大约为10nm或更厚的足以防止电子隧穿的势垒。对于保持它与相邻InSb层之间的应变而言，此势垒也足够薄(＜30nm)。
传感器50的理论模型已经被用来验证表1、2、3中出现的适当的器件参数。
表1列举了对于各种不同的掺杂水平Nd和In1-xAlxSb的组分参数x，漏电流密度j⊥与绝对温度T的函数关系。
表1
对于表1中的x和Nd数值，表2给出了工作温度为370K和漏电流对平面内电流的比率I⊥/Iplane限制为0.9％-1.1％的其它传感器参数。
表2(T＝370K；I⊥/Iplane～1％)
除了I⊥/Iplane被提高到10％-12％范围之外，表3中的数值等效于表2中的数值。传感器10和50可以具有范围在1％-10％内的I⊥/Iplane。表3(T＝370K；I⊥/Iplane～11％)
表1表明在更高的工作温度T下保持合理水平的漏电流密度j⊥的困难。提高势垒层66的组分参数x，降低了保持恒定比率I⊥/Iplane所需的漏电流密度j⊥和驱动电流；也降低了传感器的功耗。例如，组分x从0.15改变到0.25，能够使更大的电流密度得以支持，意味着对于Nd＝1015cm-3，55Amp/cm2的漏电流密度对应于大约200K的工作温度，而不是370K。
表2表明，当采用1015cm-3的杂质浓度时，即使用更大的势垒组分，也变得难以找到适合于传感器可靠工作的保持合理功率密度Pd的条件。另一方面，将杂质浓度从大约1015cm-3提高到大约1017cm-3，则载流子迁移率降低到约三分之一。而且，高n型区趋近p型区能够导致对j⊥的载流子隧穿贡献。表2因而指出最佳掺杂浓度约为1016cm-3；5μm的传感器电流路径长度提供了124W/cm2的可接受的功率密度Pd。
表3表明，提高I⊥/Iplane能够使更大的传感器得以使用更大的传感器更易于制造，并对于同等功率密度可支持更大的电流，得到更大的霍耳电压和更好的灵敏度。
现在参照图13，示出了传感器10的电路200。具有正负端子212和214的电池210被分别直接连接到臂末端层16c和通过串联电阻器RL连接到臂末端层16a。
电池210使末端层16c相对于末端层16a正偏置，并提供通过末端层16c、臂14c、中心区14e、臂14a、以及末端层16c的电流Iplane。由于其正偏置，故末端层16c是对n型有源区14的排除接触，结果如先前所述成为电子与空穴等量耗尽，基本上根除了对电导的本征贡献。排除区域延伸通过臂14c、中心区14e和臂14a。由于垂直施加到图平面的磁场，就在区域16b与16d之间产生霍耳电压。在末端层16c与16a之间流动的电流主要仅仅由一种载流子类型亦即从施主杂质激发的电子造成，而传感器工作于模拟诸如硅之类的带隙更宽的材料的非本征饱和区的区域。
现在参照图14，示出了传感器50的电路300。电路300具有第一电池310，其正负端子312和314分别直接连接到臂末端层16c和通过串联电阻器RS连接到臂末端层16a。第二电池320具有通过串联电阻器RB连接到传感器衬底连接区330的负端子322以及连接到区域16c和连接到第一电池负端子314的正端子334。
第一电池310通过电阻器RS对传感器50进行偏置，电流Iplane经由臂53a、中心区53e、臂53c而在末端层54a与54c之间流动。第二电池330使衬底62(见图6)相对于末端层54a和54c偏置，使层53与66之间的np异质结110反向偏置。层66用作层53的抽取接触，其中对导电的本征贡献因而被基本上根除。层53中的电流Iplane因而主要仅仅由一种载流子类型亦即从施主杂质激发的电子造成，而传感器50工作于模拟非本征饱和区的区域。由于垂直图平面的磁场，传感器50就在中心区53e上产生可在末端层54b与54d上检测到的霍耳电压VH。
霍耳效应和磁阻传感器通常工作于电流驱动模式，其中的传感器电流被保持恒定并探测电压的变化，以便表明磁场B，对于霍耳效应传感器，B由下式给定B=VHentzIx---(10)]]>其中各个参数如先前所述。
从表达式(1)RM=R0(1+μ2B2)=VDIx---(11)]]>其中VD是通过磁阻传感器驱动电流Ix的纵向电压；作变换B=1μVDIxR0-1---(12)]]>在电流驱动模式中，B的实测值依赖于载流子浓度n，受半导体中的产生-复合噪声的影响，并影响到测量。具有电荷载流子抽取作用的传感器受载流子浓度起伏或迁移率起伏造成的1/f噪声的影响。现有的(非排他性)证据倾向于浓度起伏若如此，则电流驱动/电压读出模式可能以1/f噪声为条件。
本发明的磁场传感器的一种变通工作模式是电压驱动，亦即在恒定驱动电压下工作，而读出的电压表明磁场B对于磁阻传感器，B仍然由表达式(12)给定，而对于霍耳效应传感器，B由下式给出B=lxVHtyμVD---(13)]]>此处，lx是传感器长度，其它参数如先前定义。在电压驱动模式中，B的实测值不依赖于载流子浓度，并由于迁移率的温度依赖性而仅仅依赖于温度后者是一种缓慢的变化，并也是由于任何残留载流子浓度变化而造成的反作用，因为二者产生相反的效果。而且，若后者由密度起伏造成，则B的这一实测值可能不受产生-复合噪声或1/f噪声的影响。
电压驱动模式由于能够引起热失控和不稳定性而一般不被采用。但本发明的传感器由于后者是本发明降低了的本征导电造成的而对热失控来说被稳定了。而且，此模式中的工作为了得到等效的性能不要求本征贡献降低得像其它模式那样多。还可望使传感器能够在比电流驱动模式更广的温度范围内工作。
另一种变通是以电流驱动和电流读出模式来运行本发明的霍耳效应传感器在此模式中，传感器电流Ix被保持恒定，而霍耳电压被用来驱动跨越霍耳电压电极连接的外部电路中的电流，并测量此电流。此模式原则上应该具有与电压驱动和电压读出模式相同的优点。通过这种传感器的电流驱动和电流读出模式中的电流图形是复杂的，并要求数值模型来完全评估。当需要用传感器输出信号来直接驱动器件时，就使用电流读出。
现在参照图15，示出了本发明的磁阻传感器400的剖面图，但如402那样的之字线所示，剖面图未按比例绘制。与图6所示等效的部分用有前缀400的参考号表示。传感器400包括InSb或GaAs衬底462上的厚度为1μm的具有电偏置接触484的p+型InSb的衬底层464，若有需要，电偏置接触484可以重置于更远处。层464被厚度为20nm的x为0.1-0.5，最好是0.1-0.2，例如0.15的p+型In1-xAlxSb层466覆盖于其上。层466被厚度为0.5μm的基本上由掺杂浓度为3×1015cm-3的p型InSb组成的层404覆盖，但其表面406下方30nm组合有虚线所示的超薄硅层408此硅层408被称为δ掺杂层。在工作中，δ掺杂层408提供了浓度为6×1011cm-2-2×1012cm-2的，例如为1×1012cm-2的二维电子气。
二个厚度为30nm的n+型InSb区411被淀积在层404上，提供了其电连接它们使跨越传感器400的电压能够被测量从而确定传感器电阻，以便提供磁场测量。它们被分隔开2-5μm，例如3.5μm的距离。在平面内，除了没有臂14a和14c之外，传感器400如图1所示。
传感器400是一种n+-p-p+-p+二极管结构，其中的p层404在施加反向偏压时，亦即当一个电极411相对于衬底462被正偏置时，经受载流子抽取。这是因为层411与404之间的界面是n+p结，当反向偏置时，这是一个抽取接触。当不存在偏压时，载流子浓度被降低到明显地低于本征浓度，如在饱和非本征区中那样，变得基本上与温度无关。
由δ掺杂层408为p层404提供电子的导电层形成二维电子气的电子，由于是由掺杂浓度建立的而不是由热激发建立的，故其浓度也保持基本上随温度而保持恒定。来自δ掺杂层408A的电子是作为传感器有源区的p层404中的电荷载流子的主要来源。n+层411起p层404的源和漏连接的作用，提供它们之间的导电路径。正是这一导电路径的电阻根据表达式(1)与磁场有关，并提供了测量磁场的磁阻效应。
p型半导体材料中的少数载流子(电子)的迁移率因而也是电子扩散长度，大大高于n型半导体材料中的空穴迁移率载流子抽取效应延伸于少数载流子的整个扩散长度，且对于二种导电类型的结果而言，p型材料经历更有效得多的抽取，故载流子浓度具有更高程度的温度独立性。在传感器400中，50K范围内载流子浓度和电阻R0的改变约为2％，对于很多应用来说，这是足够恒定的了。
现在参照图16，示出了磁阻传感器500的剖面图，但如502那样的之字线所示，剖面图未按比例绘制。传感器500包含厚度为1μm的掺杂浓度为2×1018cm-3的p+型In0.85Al0.15Sb层504。层504位于InSb或GaAs衬底506上，并具有电偏置接触508，此接触可以置于更远处。层504带有厚度为0.5μm的标称未掺杂的亦即小于1×1016cm-3的p-型In0.85Al0.15Sb层510。层510被厚度为15nm的掺杂剂浓度为3×1015cm-3的p型InSb组成的量子阱512覆盖。量子阱512被厚度为150nm的基本上由标称未掺杂的亦即小于1×1016cm-3的p-型In0.85Al0.15Sb组成的层514(可接受的厚度范围为100-200nm)覆盖。p-型层514组合有量子阱512上并与之分隔开10-40nm距离的硅n型δ掺杂层518。在工作中，δ掺杂层518提供了浓度为6×1011cm-2-2×1012cm-2的，例如1×1012cm-2的二维电子气，它是由于能量上有利而在量子阱512中形成这被称为调制掺杂，且电子气浓度也保持随温度保持恒定。
二个厚度为30nm的n+型InSb区520被淀积在层514上，并提供对其的电连接它们使跨越传感器500的电压能够被测量从而确定传感器电阻，以便提供磁场测量。它们被分隔开2-5μm，例如3.5μm的距离。在平面内，除了没有臂14a和14c之外，传感器500如图1所示。
传感器500是一种n+-p--量子阱-p--p+二极管结构，其中的量子阱512在施加反向偏压时，亦即当一个或二个电极520相对于衬底506被正偏置时，经受载流子抽取。这是因为层514与520之间的界面是n+p结，当反向偏置时，这是一个抽取接触。当不存在偏压时，量子阱512中的载流子浓度被降低到明显地低于本征浓度，如在饱和非本征区中那样，此处再次变得基本上与温度无关。来自δ掺杂层408的电子则是作为传感器有源区的量子阱512中的电荷载流子的主要来源。传感器500的其它各个区域504、510、514的带隙宽度比量子阱512的带隙宽度大得多，其载流子浓度可以被认为是恒定的。
n+层520起源和漏电极的作用，它们之间存在着经由p-层514和量子阱512的导电路径。正是这一导电路径的电阻与磁场有关，并使磁场能够被测量。
在传感器500中，50K范围内的载流子浓度变化小于1％对于所需的应用来说，这是非常高的恒定度和稳定性。在这方面，由于量子阱载流子浓度决定于调制掺杂，与电子-空穴对的热激发不同，这是一个固定的参数，故其性能优于前面的实施方案。
图6、15、16所示的层结构可以各被用来制作霍耳效应传感器和磁阻传感器二者。二种传感器之间的差别仅仅是前者具有图1那样的4端子构造，而后者具有2端子构造，相当于不存在(或无用处)臂14b和14d。
权利要求
1.一种组合有半导体传感器元件(10，50)的磁场传感器，此半导体传感器元件具有有源区(14e，53e)，其中在工作中产生响应磁场的信号，其特征是此传感器元件(10，50)a)当不被偏置并在正常工作温度下时，处于至少部分本征导电区中；b)包括一个可偏置的结(36，110)，以便降低有源区(14e，53e)中的本征导电，并将电荷载流子主要限制为仅仅对应于非本征饱和区的一种类型；以及c)包括用来探测有源区(14e，53e)中响应于外加磁场而产生的信号的装置。
2.根据权利要求1的传感器，其特征在于，结是一种用来从有源区(14e)排除少数载流子的排除接触(36)。
3.根据权利要求2的传感器，其特征在于，排除接触(36)是掺杂浓度不同的锑化铟材料之间的一种同质结。
4.根据权利要求2的传感器，其特征在于，排除接触(36)是锑化铟(12)与带隙比锑化铟宽的材料(40，41)之间的一种异质结。
5.根据权利要求1的传感器，其特征在于，它是一种十字形霍耳效应传感器，它具有中心有源区(14e)，4个臂(14a-14d)从中心有源区延伸，至少一个臂(例如14a)被连接到用来在被偏置时使有源区的少数载流子浓度耗尽的排除接触(例如16a)，第一对臂(14a，14c)可被连接到电流源，而第二对臂(14b，14d)可被连接到霍耳电压测量装置。
6.根据权利要求5的传感器，其特征在于，第二对臂(53b，53d)中的每个具有邻近中心有源区(53e)的锥形部分。
7.根据权利要求5的传感器，其特征在于，每个臂(例如14a)被连接到各自的排除接触(例如16a)。
8.根据权利要求1的传感器，其特征在于，结是一种用来从有源区(53e)抽取少数载流子的抽取结(110)。
9.根据权利要求8的传感器，其特征在于，抽取结(110)是具有不同多数载流子类型和不同带隙的材料的二个传感器区之间的结。
10.根据权利要求8的传感器，其特征在于，抽取结(110)为a)对于防止电子通过它隧穿来说足够厚；且b)对于避免与之相关的材料中的应变发生弛豫来说足够薄。
11.根据权利要求9的传感器，其特征在于，抽取结(110)是n型锑化铟(53)与In1-xAlxSb(54)的异质结，其中x为0.10-0.5。
12.根据权利要求10的传感器，其特征在于，x为0.15-0.2。
13.根据权利要求11的传感器，其特征在于，x基本上为0.15。
14.根据权利要求8的传感器，其特征在于，它是十字形，它具有中心有源区(53e)，4个臂(53a-53d)从中心有源区延伸，这些臂具有4个连续排列的层(64、66、53、54)，其中二个相邻的层是一种多数载流子型的，而其它二个相邻的层是另一种多数载流子型的，抽取结(110)是有源区层(53)与不同带隙和多数载流子型的另一层(66)之间的异质结，第一对臂(14a，14c)可被连接到电流源，第二对臂(14b，14d)可被连接到霍耳电压测量装置，并利用传感器衬底连接可将抽取结(110)反向偏置。
15.根据权利要求14的传感器，其特征在于，4个连续排列的层(64、66、53、54)是n+npp+结构。
16.根据权利要求14的传感器，其特征在于，第二对臂的各个臂(53b，53d)具有邻近中心区(53e)的锥形部分。
17.根据权利要求14的传感器，其特征在于，第二对臂的各个臂(53b，53d)具有连接在中心有源区(53e)上的接触区，它小于第一对臂(53a，53c)的各个臂的宽度的10％。
18.根据权利要求8的传感器，其特征在于，它被安排成在正常工作中抽取电流沿基本上正交于电荷载流子被磁场偏转的方向流动。
19.根据权利要求1的传感器，其特征在于，结(514/520)是抽取的，且有源区是p型的。
20.根据权利要求1的传感器，其特征在于，有源区是量子阱结构(510/512/514)。
21.根据权利要求20的传感器，其特征在于，它包括安排成量子阱结构(510/512/514)的电荷载流子主要来源的δ掺杂层。
22.根据权利要求20或21的传感器，其特征在于，它是一种n+-p--量子阱-p--p+二极管结构。
23.根据权利要求1的传感器，其特征在于，它包括安排成有源区的电荷载流子主要来源的δ掺杂层。
24.根据权利要求23的传感器，其特征在于，它是一种n+-p-p+-p+二极管结构。
25.一种检测磁场的方法，其特征是包括下列步骤a)提供组合有半导体传感器元件(10，50)的磁场传感器，此半导体传感器元件具有有源区(14e，53e)，其中在工作过程中产生响应磁场的信号，此传感器元件(10，50)在不被偏置时，在正常工作温度下处于至少部分本征导电区，且包括可偏置的结(36，110)以便降低对有源区(14e，53e)中导电的本征贡献，并将电荷载流子主要限制为仅仅对应于非本征饱和区的一种类型；b)对传感器有源区和结(36，110)进行偏置，以便在有源区中提供电荷载流子流和对应于非本征饱和区的传感器工作，并将磁场施加到有源区(14e，53e)；以及c)检测有源区(14e，53e)至少部分响应磁场而产生的信号。
26.根据权利要求25的检测磁场的方法，其特征在于，在恒定电压下执行偏置传感器有源区的步骤，且检测信号的步骤涉及探测电压信号。
27.根据权利要求25的检测磁场的方法，其特征在于，此传感器是霍耳效应传感器，偏置传感器有源区的步骤涉及对其施加恒定的电流，而检测信号的步骤涉及到检测电流信号。
全文摘要
本发明提供了一种霍耳效应磁场传感器(10，50)，它包括载流子排除或抽取装置(36，66)，用来降低对有源区(14e，53e)中的载流子浓度的本征贡献，以便使传感器工作于非本征饱和区。这就提供了能够使传感器(10，50)的磁场测量灵敏度对传感器温度基本上不灵敏，从而改善测量精度的优点。
文档编号H01L43/14GK1429342SQ0180973
公开日2003年7月9日 申请日期2001年5月2日 优先权日2000年5月19日
发明者T·阿斯利, C·T·埃利奥特, T·J·菲利普斯 申请人:秦内蒂克有限公司