一种霍尔元件及其制备方法与流程

本发明涉及传感领域，具体涉及一种高灵敏度砷化铟霍尔元件及其制备方法。

背景技术：

霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，一般用于检测磁场及其变化。霍尔元件的灵敏度和材料的迁移率密切相关。为了进一步提升霍尔元件的灵敏度，人们采用化合物半导体替代硅，获得了性能非常优异的霍尔元件。

锑化铟霍尔元件灵敏度最高，其体材料的迁移率达到78000cm²/Vs，但是锑化铟的禁带宽度窄，可导致其霍尔元件的温度系数非常差，限制了它的应用范围。而砷化镓霍尔元件与之相反，其温度系数非常优异，但是灵敏度偏低。砷化铟霍尔元件，则兼具两者的有点，从而广泛吸引人们的关注。

然而，采用外延方法制备砷化铟薄膜时，因为缺少与之晶格匹配的低成本衬底，难以制备高质量的薄膜，从而导致砷化铟薄膜迁移率偏低，进而降低霍尔元件的灵敏度。为了获得高迁移率的砷化铟薄膜，传统方法采用砷化镓衬底，在其上生长掺杂的砷化铟材料，可以获得迁移率超过12000cm²/Vs的薄膜，从而基本满足砷化铟霍尔元件的应用需求。但是，因为砷化镓和砷化铟材料存在7％的晶格失配，在离砷化镓和砷化铟界面较近的区域内，存在大量的失配位错，降低了材料整体的迁移率。

技术实现要素：

为此，本发明所要解决的是现有砷化铟霍尔元件中，由于砷化铟迁移率低影响其性能的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种霍尔元件，包括依次层叠设置的衬底、P型砷化铟层、N型砷化铟层。

可选地，所述P型砷化铟层的厚度为20nm～1000nm；

可选地，所述N型砷化铟层厚度为100nm-1000nm。

可选地，所述N型砷化铟层的掺杂元素为硅和/或碲和/或硫；

可选地，所述衬底为砷化镓衬底。

本发明还提供一种所述的霍尔元件的制备方法，包括如下步骤：

在衬底上形成P型砷化铟层；

在所述P型砷化铟层上形成N型砷化铟层。

可选地，所述P型砷化铟层通过外延生长工艺或化学气相沉积工艺制备。

可选地，所述P型砷化铟层的生长方法为：以砷烷(AsH₃)或叔丁基砷(TBAs)为砷源、三甲基铟(TMIn)为铟源、二乙基锌(DEZn)或者二茂镁(Cp₂Mg)为掺杂源，氢气(H₂)为载气，生长温度为450℃-600℃，压力为20-500mbar，Ⅴ/Ⅲ比为5-200，进行生长。

可选地，所述P型砷化铟层的生长方法为：以固态砷(As₄)为砷源、固态铟为铟源、固态铍或固态锌或固态镁为掺杂源，生长温度300℃-550℃，压力为1E-10Torr，Ⅴ/Ⅲ比为1-100，进行生长。

可选地，所述N型砷化铟层通过外延生长工艺或化学气相沉积工艺制备。

可选地，所述N型砷化铟层的生长方法为：以砷烷(AsH₃)或叔丁基砷(TBAs)为砷源、三甲基铟(TMIn)为铟源、硅烷(SiH₄)或乙硅烷(Si₂H₆)为掺杂源，氢气(H₂)为载气，生长温度为450℃-600℃，压力为20-500mbar，Ⅴ/Ⅲ比为5-200，进行生长。

可选地，所述N型砷化铟层的生长方法为：以固态砷(As₄)为砷源，固态铟为铟源，固态硅为掺杂源，生长温度300℃-550℃，背景压力为1E-10Torr，Ⅴ/Ⅲ比为1-100，进行生长。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本发明实施例提供一种霍尔元件，包括依次层叠设置的衬底、P型砷化铟层、N型砷化铟层。因为砷化铟层为N型掺杂，P型砷化铟层为过渡层，从而在两者界面处形成一个空间电荷区，而霍尔元件中的电极只接触N型区域，因此，在霍尔元件工作过程中，P型砷化铟层是不参与导通的。从而，P型砷化铟层中的缺陷不会影响器件性能。而N型功能层直接生长在P型砷化铟层上，缺陷密度大幅减小，从而材料的迁移率大幅增加，进而使得霍尔元件灵敏度得到极大改善。

2、本发明实施例还提供一种所述的霍尔元件的制备方法，包括如下步骤：在衬底上形成P型砷化铟层；在所述P型砷化铟层上形成N型砷化铟层。可选地，所述P型砷化铟层通过外延生长工艺制备；工艺成熟，方法简单、可靠。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明实施例所述的霍尔元件结构示意图；

图2是本发明实施例所述的霍尔元件俯视图；

图中附图标记表示为：1-衬底、2-P型砷化铟层、3-N型砷化铟层、4-电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明可以以许多不同的形式实施，而不应该被理解为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将把本发明的构思充分传达给本领域技术人员，本发明将仅由权利要求来限定。在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。应当理解的是，当元件例如层、区域或基板被称作“形成在”或“设置在”另一元件“上”时，该元件可以直接设置在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接形成在”或“直接设置在”另一元件上时，不存在中间元件。

实施例

本实施例提供一种霍尔元件，如图1和图2所示：包括依次层叠设置的衬底1、P型砷化铟层2、N型砷化铟层3，以及形成在N型砷化铟层3上的电极4。

因为N型砷化铟层3为N型掺杂，P型砷化铟层2为过渡层，从而在两者界面处形成一个空间电荷区，而霍尔元件中的电极只接触N型区域，因此，在霍尔元件工作过程中，P型砷化铟层2是不参与导通的。从而，P型砷化铟层2中的缺陷不会影响器件性能。而N型功能层直接生长在P型砷化铟层2上，缺陷密度大幅减小，从而材料的迁移率大幅增加，进而使得霍尔元件灵敏度得到极大改善。

P型砷化铟层2的厚度为20nm～1000nm；N型砷化铟层3厚度为100nm-1000nm。N型砷化铟层3的掺杂元素为硅和/或碲和/或硫；衬底1为砷化镓衬底；电极4为金属电极或石墨烯电极。

作为本发明的一个实施例，本实施例中，P型砷化铟层2的厚度为100nm；N型砷化铟层3厚度为500nm；N型砷化铟层3的掺杂元素为硅；电极4为Mo电极。

本实施例还提供一种霍尔元件的制备方法，包括如下步骤：

S1、在衬底1上形成P型砷化铟层2；

衬底1为砷化镓衬底，P型砷化铟层2通过外延生长工艺或化学气相沉积工艺制备，如分子束外延工艺(MBE)或金属有机化学气相沉积工艺(MOCVD)等。

作为本发明的一个实施例，本实施例中，P型砷化铟层2采用金属有机化学气相沉积工艺制备，生长方法为：以砷烷(AsH₃)或叔丁基砷(TBAs)为砷源、三甲基铟(TMIn)为铟源、二乙基锌(DEZn)或者二茂镁(Cp₂Mg)为掺杂源，氢气(H₂)为载气，生长温度为450℃-600℃，压力为20-500mbar，Ⅴ/Ⅲ比为5-200，进行生长。

作为本发明的可变换实施例，P型砷化铟层2的制备方法还可以为：以固态砷(As₄)为砷源、固态铟为铟源、固态铍或固态锌或固态镁为掺杂源，生长温度300℃-550℃，压力为1E-10Torr，Ⅴ/Ⅲ比为1-100，进行生长。

S2、在P型砷化铟层2上形成N型砷化铟层3。

N型砷化铟层3通过外延生长工艺或化学气相沉积工艺制备，如分子束外延工艺(MBE)或金属有机化学气相沉积工艺(MOCVD)等。

作为本发明的一个实施例，本实施例中，N型砷化铟层3的生长方法为：以砷烷(AsH₃)或叔丁基砷(TBAs)为砷源、三甲基铟(TMIn)为铟源、硅烷(SiH₄)或乙硅烷(Si₂H₆)为掺杂源，氢气(H₂)为载气，生长温度为450℃-600℃，压力为20-500mbar，Ⅴ/Ⅲ比为5-200，进行生长。

作为本发明的可变换实施例，P型砷化铟层的制备方法还可以为：以固态砷(As₄)为砷源，固态铟为铟源，固态硅为掺杂源，生长温度300℃-550℃，背景压力为1E-10Torr，Ⅴ/Ⅲ比为1-100，进行生长。

本实施例提供的霍尔元件的制备方法，还包括：

S3、通过台面刻蚀工艺，对P型砷化铟层2和N型砷化铟层3进行图案化，形成霍尔元件图案。

S4、在N型砷化铟层3上形成电极4，并进行钝化。

S5、进行器件封装。

步骤S3、S4、S5均同现有技术，本实施例不再赘述。

对本实施例中N型砷化铟层3进行测试，迁移率为16500cm²/Vs。

对比例

本对比例提供一种霍尔元件，其结构与制备方法同实施例，唯一不同的是，本对比例所述的霍尔元件中未设置P型砷化铟层。

对本对比例中N型砷化铟层进行测试，迁移率为11000cm²/Vs。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。