一种霍尔元件及其制备方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种霍尔元件及其制备方法。

背景技术

目前市面上的高灵敏度霍尔元件，一般采用insb材料，因其具有很高的迁移率(最高可达78000cm²/vs)。在霍尔元件薄膜的上下两侧加装磁性材料作为聚磁装置，进一步提升霍尔元件的灵敏度。考虑到晶格失配的影响，在目前的高灵敏度insb霍尔元件的制造工艺中，insb薄膜只能采用蒸发的方式，制备于云母片上，然后再将insb薄膜，从云母片上转移至磁性基板上。

在整个制造过程中，由蒸发方式制备得到的insb薄膜致密性较差，孔隙、裂纹等缺陷较多，质量不太高。而且在转移过程中，insb薄膜非常容易受损，从而降低良率，影响器件灵敏度。另外，insb薄膜一般厚度为1μm，加上转移至磁性基板上所需要的胶黏剂层厚度，以及第二块磁性材料与霍尔元件粘附所用胶黏剂层厚度，两块磁性材料之间有10-20μm的间隔，这会使两块磁性材料的聚磁作用减弱。另外，由于insb霍尔元件的温度稳定性非常差，其灵敏度受温度影响非常显著。

石墨烯作为一种新型的二维材料，具有制备霍尔元件的优势：首先，石墨烯材料具有极高的迁移率，最高可达200000cm²/vs，是insb材料的3倍；其次，石墨烯作为单原子层材料，具有最薄的厚度，理论厚度仅为0.335nm，从而具有非常高的霍尔灵敏度；第三，石墨烯材料具有非常优越的温度稳定性。现有技术中也有将石墨烯材料应用于霍尔元件的例子。但是石墨烯材料同样存在制备方式较困难，同时，由于石墨烯材料为单原子层结构，在石墨烯薄膜转移等工艺制程中，非常容易受损，从而使材料和霍尔元件的质量无法得到保障的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种霍尔元件及其制备方法，以解决现有技术的霍尔元件薄膜转移等工艺制程中，薄膜容易受损，从而影响到霍尔元件质量的问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种霍尔元件，包括磁性基板，石墨烯功能层，电极和磁芯，其中：石墨烯功能层沉积在磁性基板的上方；电极设置在石墨烯功能层上方的电极区域；磁芯设置在石墨烯功能层上方的功能区域。

可选地，还包括设置在磁性基板与石墨烯功能层之间的绝缘层。

可选地，磁性基板的材料为mnzn合金或nizn合金。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种霍尔元件制备方法，包括：选取磁性基板；在磁性基板上方形成石墨烯层；对石墨烯层进行图案化，形成台面图形；在台面图形的电极区域上形成电极；在台面图形的功能区域上安装磁芯。

可选地，磁性基板的材料为mnzn合金或nizn合金。

可选地，还包括在磁性基板与石墨烯层之间设置绝缘层的步骤。

可选地，石墨烯层通过化学气相沉积法制备。

可选地，在台面图形的功能区域上安装磁芯的步骤包括：在台面图形的功能区涂敷胶黏剂层；将磁芯固定于胶黏剂层上。

可选地，对石墨烯层进行图案化，形成台面图形的步骤包括：在石墨烯层上形成光刻胶层，并对光刻胶层进行图案化，得到光刻图案；以光刻图案为掩膜，用干法刻蚀工艺去除多余的石墨烯材料；除去光刻图案。

本发明实施例技术方案，具有以下优点：

1.本发明实施例提供的一种霍尔元件及其制备方法，其中霍尔元件包括：磁性基板，石墨烯功能层，电极和磁芯，其中，石墨烯功能层沉积在磁性基板的上方；电极设置在石墨烯功能层上方的电极区域；磁芯设置在石墨烯功能层上方的功能区域。将石墨烯材料直接制备在磁性基板上，使石墨烯霍尔元件的工艺简单化，性能和良率提升；石墨烯霍尔元件采用两层磁性材料进行聚磁，进一步提升灵敏度，而因为石墨烯材料本身厚度非常薄，而整个工艺过程中，只用到一层胶黏剂层，两层磁性材料的间距相比insb霍尔元件小，聚磁效果增加一倍以上。

2.本发明实施例提供的一种霍尔元件及其制备方法，其中霍尔元件还包括：设置在磁性基板与石墨烯功能层之间的绝缘层。当磁性基板具有导电性质时，需要在石墨烯功能层与磁性基板中间设置绝缘层，使石墨烯功能层与磁性导电基板不存在电连接关系，保证霍尔元件功能层的工作性能。

3.本发明实施例提供的一种霍尔元件及其制备方法，其中霍尔元件还包括：磁性基板的材料为mnzn合金或nizn合金。采用mnzn合金或nizn合金作为磁性基板，一方面mnzn合金或nizn合金可以用作霍尔元件的基板，另一方面它们也可以作为石墨烯的生长基体，可以省去石墨烯工艺过程中的转移操作，石墨烯材料的质量不会受到损伤。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例中一种霍尔元件的结构正视图；

图2为本发明实施例中一种霍尔元件的结构俯视图；

图3为本发明实施例中另一种霍尔元件的结构正视图；

图4为本发明实施例中一种霍尔元件制备方法的流程图；

图中附图标记表示为：1-磁性基板，2-石墨烯功能层，3-电极，4-磁芯，5-绝缘层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种霍尔元件，如图1和图2所示，包括磁性基板1，石墨烯功能层2，电极3和磁芯4，其中：

石墨烯功能层2沉积在磁性基板1的上方；电极设置在石墨烯功能层2上方的电极区域；磁芯4设置在石墨烯功能层2上方的功能区域。

在本实施例中，石墨烯直接生长在磁性基板1上方，形成霍尔元件的功能层；磁芯通过胶黏剂层设置在石墨烯功能层2上方的功能区域，磁芯4与磁性基板1形成聚磁装置；电极3设置在石墨烯功能层2上方的电极区域。由于石墨烯功能层2是直接生长在磁性基板1上的，石墨烯功能层2与磁性基板1之间没有胶黏剂层增加厚度。此外，石墨烯功能层2的材料厚度小于1nm，与磁性基板1紧密接触，磁性基板1和相对的磁性材料之间，只有一层胶黏剂层的厚度，相比现有insb霍尔元件中的双层胶黏剂层，磁性材料的间距减小了一半以上，聚磁能力提升一倍以上。同时，石墨烯霍尔元件也具有非常优越的温度稳定特性，适合在严苛的环境下使用。综上，目前市面上所用的高灵敏度insb霍尔元件，其灵敏度为1250v/(a·t)，本实施例的石墨烯霍尔元件灵敏度为12000v/(a·t)，远远高于目前工业所用的insb霍尔元件灵敏度。

将石墨烯材料直接制备在磁性基板上，使石墨烯霍尔元件的工艺简单化，性能和良率提升；石墨烯霍尔元件采用两层磁性材料进行聚磁，进一步提升灵敏度，而因为石墨烯材料本身厚度非常薄，而整个工艺过程中，只用到一层胶黏剂层，聚磁效果增加一倍以上。

作为可选的实施方式，如图3所示，还包括设置在磁性基板1与石墨烯功能层2之间的绝缘层5。

霍尔效应的原理是：当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差。因此，在本实施例中，当磁性基板1具有导电性质时，需要在石墨烯功能层2与磁性基板1中间设置绝缘层5，使石墨烯功能层2与导电的磁性基板1不存在电连接关系，保证霍尔元件功能层的工作性能。

作为可选的实施方式，磁性基板1的材料为mnzn合金或nizn合金。

在本实施例中，由于石墨烯的制备条件比较严苛，采用化学气相沉积(cvd)制备石墨烯时，选择的生长基体主要包括金属箔或特定基体上的金属薄膜。具体地，使用mnzn合金作为磁性基板材料时，由于mnzn合金同时也是导电基体，由前述实施方式可知，需要在mnzn合金和石墨烯功能层2之间设置绝缘层5；而nizn合金为绝缘的磁性基体，可直接在nizn合金上方形成石墨烯功能层2。采用mnzn合金或nizn合金作为磁性基板，一方面mnzn合金或nizn合金可以用作霍尔元件的基板，另一方面它们也可以作为石墨烯的生长基体，可以省去石墨烯工艺过程中的转移操作，石墨烯材料的质量不会受到损伤。

本发明实施例还提供了一种霍尔元件的制备方法，如图4所示，包括：

步骤s1，选取磁性基板。

在本实施例中，选取磁性基板的材料为mnzn合金或nizn合金。

步骤s2，在磁性基板上方形成石墨烯层。

在本实施例中，当选择mnzn合金作为磁性基板时，由于mnzn合金具有导电性，因此需要在形成石墨烯层之前，在mnzn合金上方形成一层绝缘层，而后在绝缘层上生长石墨烯层。绝缘层可根据需要设置，例如sic，或其它绝缘材质。而采用nizn合金作为磁性基板时，由于其不具有导电性，可以直接在nizn合金上用化学气相沉积(cvd)法制备石墨烯层。

步骤s3，对石墨烯层进行图案化，形成台面图形。

在本实施例中，在石墨烯层上旋涂光刻胶，形成光刻胶层，对光刻胶层进行曝光，得到光刻图案；以光刻图案为掩膜，用干法刻蚀工艺去除多余的石墨烯材料；除去光刻图案，得到台面图形。采用干法刻蚀具有非常好的侧壁剖面控制，能够完整的把掩膜图形复制到硅片表面上。

步骤s4，在台面图形的电极区域上形成电极。

在本实施例中，采用蒸镀的方法在台面图形的电极区域上形成电极。

步骤s5，在台面图形的功能区域上安装磁芯。

在本实施例中，在台面图形的功能区涂敷胶黏剂层，将磁芯固定于胶黏剂层上。具体地，在石墨烯台面图形的功能区滴适量胶黏剂层，只需磁芯能够固定的剂量即可。

将石墨烯材料直接制备在磁性基板上，使石墨烯霍尔元件的工艺简单化，性能和良率提升；石墨烯霍尔元件采用两层磁性材料进行聚磁，进一步提升灵敏度，而因为石墨烯材料本身厚度非常薄，而整个工艺过程中，只用到一层胶黏剂层，两层磁性材料的间距相比insb霍尔元件小，聚磁效果增加一倍以上。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。