集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器及其制作方法技术

一种集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器及其制作方法，属于半导体传感器领域。技术要点：包括衬底、缓冲层、异质结结构层，所述衬底上依次生长缓冲层和异质结结构层，所述异质结结构层中存在二维电子气；所述衬底下表面设有用于感测平行于器件表面磁场的垂直型霍尔传感器，所述异质结结构层上表面设有用于感测垂直于器件表面磁场的“十”字水平型霍尔传感器。有益效果：本发明专利技术采用适应高温环境的完全宽禁带材料，所述的集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器既可以在高温下稳定的工作，又测量空间任意方向磁场，同时在测量X，Y，Z三个方向的磁场时具有较大的灵敏度。

High temperature Hall sensor integrated with three-dimensional magnetic field detection functions of vertical back and horizontal front and its fabrication method

【技术实现步骤摘要】
集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器及其制作方法
本专利技术属于半导体传感器领域，尤其涉及一种集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器及其制作方法。
技术介绍
从19世纪70年代霍尔效应发现以来，以霍尔效应原理为基础的霍尔传感器由于其具有线性度良好、动态特性佳、精确度高等优点，被广泛应用于航空航天、生物医学、工业生产等各个领域。传统的霍尔传感器主要由硅(Si)、砷化镓(GaAs)、砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)等材料制作，尽管其可以满足低温或者环境温度下使用需要，但目前市场仍然需要能在室温至高于400℃的环境下稳定工作的霍尔传感器产品。例如，对太空探索飞行器中电路系统和铁磁材料的居里温度的局部测量等。三维霍尔传感器可以探测空间任意方向的磁场，目前已有的三维霍尔传感器往往基于Si材料制作。将测量垂直磁场的水平型霍尔传感器和测量水平磁场的垂直型霍尔传感器集成在一起得到的三维霍尔传感器，尺寸较大，同时由于传感器之间的相互干扰其交叉灵敏度也较大。将测量单一磁场的霍尔传感器集成到一起也可以得到三维霍尔传感器，但因其尺寸较大，在一些微型霍尔传感器的新应用受到限制。与传统的Si、GaAs等材料相比，以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿电场高、饱和电子漂移速度高等特点，在制备高温霍尔传感器方面具有良好的材料优势和广阔的应用前景。其中：与Si材料相比，SiC材料具有宽禁带(约3.25eV)，高热导率(3～5W/(cmK))，且不存在由异质结材料界面高密度极化电荷产生的纵向电场，霍尔传感器在工作时，电子在纵向偏移过程不会被束缚在横向电流沟道中，因此，SiC材料适合制作高温下的垂直型霍尔传感器；GaN材料的异质结(典型如AlGaN/GaN)界面处的势阱中存在高密度由极化电荷诱导产生的二维电子气(2DEG)，无需故意掺杂就可在沟道内保持很高的电子迁移率(典型值为2000cm2/V·s，高于体材料电子迁移率)，因此，GaN基材料适合制作高温下的水平型霍尔传感器，传统的三维霍尔传感器是将测量单一方向磁场的霍尔传感器集成得到的，尺寸较大。现有的霍尔传感器主要有两种，一种是以Si材料为代表的单一材料的霍尔传感器，另一种是基于异质结结构的霍尔传感器。硅基材料的霍尔传感器工艺较为成熟，且可以和集成电路工艺相兼容，易于生产。基于InAs和InSb等异质结结构的霍尔传感器由于其异质结界面处具有高迁移率的二维电子气，可以获得较高的灵敏度。但由于这些传统材料本身禁带宽度较窄，在高于150℃的环境下其物理特性会发生明显变化，无法在高温下稳定的工作，因此限制了霍尔传感器的应用范围。目前市场上主要以单一磁场测量的水平型霍尔传感器和垂直型霍尔传感器为主，为探测空间任意方向的磁场设计出了一种将测量垂直器件表面磁场的水平型霍尔传感器和测量平行器件表面磁场的垂直型霍尔传感器集成在同一平面的三维霍尔传感器，由于集成了两种霍尔传感器，最终得到的三维霍尔传感器器件尺寸较大，同时由于传感器之间的相互干扰，其交叉灵敏度也相对较大。除此之外，将三个测量单一方向磁场的霍尔传感器在X、Y、Z方向放置集成也可得到三维霍尔传感器。目前市场上已有的较为成熟的产品，例如，TLV493D三维霍尔传感器，将垂直型霍尔传感器旋转放置在X、Y、Z方向即可测量空间任意方向磁场。但其尺寸相对较大，且只能在低于125℃的情况下稳定工作。无论哪一种集成方式，最终得到的器件尺寸都较大，限制了其在微型和纳米霍尔传感器的新应用。GaN异质结(典型如AlGaN/GaN)界面处的势阱中存在高密度由极化电荷诱导产生的二维电子气(2DEG)，在垂直沟道的方向存在纵向电场，沟道中的电子被束缚其中，虽然对水平型霍尔传感器没有影响，但使得垂直型霍尔传感器感测到的电流和电压减小，传感器灵敏度降低。
技术实现思路
为了解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器及其制作方法，该霍尔传感器既可以在高温下稳定的工作，又测量空间任意方向磁场，同时在测量X，Y，Z三个方向的磁场时具有较大的灵敏度。技术方案如下：一种集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器，包括：衬底、缓冲层、异质结结构层，所述衬底上依次生长缓冲层和异质结结构层，所述异质结结构层中存在二维电子气；所述衬底下表面设有用于感测平行于器件表面磁场的垂直型霍尔传感器，所述异质结结构层上表面设有用于感测垂直于器件表面磁场的“十”字水平型霍尔传感器；所述垂直型霍尔传感器整体为“十”字形，“十”字横向依次设置公共端电极C2、感测电极S2、信号输入端C0、感测电极S1、公共端电极C1，“十”字纵向依次设置公共端电极C1’、感测电极S1’、所述信号输入端C0、感测电极S2’、公共端电极C2’，“十”字横向与纵向交接处为所述信号输入端C0；所述“十”字水平型霍尔传感器的“十”字四端分别设置信号输入电极C3、信号输入电极C4、感测电极S3、感测电极S4，所述信号输入电极C3与信号输入电极C4相对设置，所述感测电极S3与感测电极S4相对设置。进一步的，所述衬底是SiC，所述缓冲层是AlN、GaN、超晶格结构中的任意一种，所述异质结结构层包括外延层和势垒层，所述外延层是GaN，所述势垒层是AlGaN。进一步的，所述缓冲层的厚度为10nm～100nm，所述外延层的厚度为0.1μm～50μm，所述势垒层的厚度为5nm～100nm。进一步的，所述公共端电极C2、感测电极S2、信号输入端C0、感测电极S1、公共端电极C1、公共端电极C1’、感测电极S1’、感测电极S2’、公共端电极C2’、信号输入电极C3、信号输入电极C4、感测电极S3、感测电极S4的形状是矩形、梯形或者圆形。进一步的，所述公共端电极C1和公共端电极C2关于信号输入端C0中心对称，所述感测电极S1和感测电极S2关于信号输入端C0中心对称。本专利技术还包括一种集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器制作方法，步骤如下：S1、清洗衬底材料，除去衬底表面的污染物；S2、利用金属有机化合物化学气相淀积法、分子束外延法、氢化物气相外延法中任一种方式外延生长缓冲层和异质结结构层；S3、外延生长好的样品经过光刻显影后，利用感应耦合等离子体刻蚀法进行刻蚀；S4、采用电子束蒸发系统沉积复合金属，之后利用快速热退火工艺形成欧姆接触；S5、采用等离子体增强化学气相淀积法、磁控溅射法、原子层沉积法、电子束蒸发法其中任一种方式淀积介质层进行器件钝化；S6、对电极处钝化层进行光刻并腐蚀形成窗口，采用磁控溅射法、电子束蒸发法、热蒸发法其中任一方法在电极处沉积金属制作焊盘并进行引线。进一步的，所述衬底是SiC，所述缓冲层是AlN、GaN、超晶格结构中的任意一种，所述异质结结构层包括外延层和势垒层，所述外延层是GaN，所述势垒层是AlGaN。有益效果：...

【技术保护点】
1.一种集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器，其特征在于，包括：衬底、缓冲层、异质结结构层，所述衬底上依次生长缓冲层和异质结结构层，所述异质结结构层中存在二维电子气；所述衬底下表面设有用于感测平行于器件表面磁场的垂直型霍尔传感器，所述异质结结构层上表面设有用于感测垂直于器件表面磁场的“十”字水平型霍尔传感器；所述垂直型霍尔传感器整体为“十”字形，“十”字横向依次设置公共端电极C2、感测电极S2、信号输入端C0、感测电极S1、公共端电极C1，“十”字纵向依次设置公共端电极C1’、感测电极S1’、所述信号输入端C0、感测电极S2’、公共端电极C2’，“十”字横向与纵向交接处为所述信号输入端C0；所述“十”字水平型霍尔传感器的“十”字四端分别设置信号输入电极C3、信号输入电极C4、感测电极S3、感测电极S4，所述信号输入电极C3与信号输入电极C4相对设置，所述感测电极S3与感测电极S4相对设置。/n

【技术特征摘要】
1.一种集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器，其特征在于，包括：衬底、缓冲层、异质结结构层，所述衬底上依次生长缓冲层和异质结结构层，所述异质结结构层中存在二维电子气；所述衬底下表面设有用于感测平行于器件表面磁场的垂直型霍尔传感器，所述异质结结构层上表面设有用于感测垂直于器件表面磁场的“十”字水平型霍尔传感器；所述垂直型霍尔传感器整体为“十”字形，“十”字横向依次设置公共端电极C2、感测电极S2、信号输入端C0、感测电极S1、公共端电极C1，“十”字纵向依次设置公共端电极C1’、感测电极S1’、所述信号输入端C0、感测电极S2’、公共端电极C2’，“十”字横向与纵向交接处为所述信号输入端C0；所述“十”字水平型霍尔传感器的“十”字四端分别设置信号输入电极C3、信号输入电极C4、感测电极S3、感测电极S4，所述信号输入电极C3与信号输入电极C4相对设置，所述感测电极S3与感测电极S4相对设置。


2.如权利要求1所述的集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器，其特征在于，所述衬底是SiC，所述缓冲层是AlN、GaN、超晶格结构中的任意一种，所述异质结结构层包括外延层和势垒层，所述外延层是GaN，所述势垒层是AlGaN。


3.如权利要求2所述的集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器，其特征在于，所述缓冲层的厚度为10nm～100nm，所述外延层的厚度为0.1μm～50μm，所述势垒层的厚度为5nm～100nm。


4.如权利要求1所述的集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器，其特征在于，所述公共端...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄火林，张卉，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21