具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器及其制作方法技术

具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器及其制作方法,属于半导体传感器领域。技术方案：衬底上依次生长缓冲层、外延层和势垒层，所述外延层异质结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；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，所述势垒层上表面设置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。有益效果是:本发明专利技术采用适应高温环境的完全宽禁带材料，可以在高温下测量空间任意方向的磁场，同时具有尺寸小、灵敏度高等特点，可以在不影响传感器正常工作的前提下进行精确磁场测量和实时工作温度监测，未来有望广泛应用于各种军事、航空航天、医学、微型和纳米型传感器中。

High temperature three-dimensional Hall sensor with real-time monitoring function of working temperature and its fabrication method

【技术实现步骤摘要】
具有工作温度实时监控功能的高温三维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，尤其涉及一种具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器及其制作方法。
技术介绍
磁传感器可以将磁场信号转换成能检测的电子信号。磁传感器在自动化、医疗系统、数据通信等领域中都有重要应用。基于霍尔效应原理的霍尔传感器是磁传感器的重要代表，也具有最广泛的应用。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)等窄禁带半导体材料制作，可以在125℃以下的环境中工作。但由于这些材料的禁带宽度小，在超过125℃的高温环境工作时，材料内部杂质散射、晶格散射等机制严重影响载流子迁移率，使得磁传感器的探测灵敏度严重衰减，无法正常工作。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磁传感器产品。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。为了探测空间任意方向的磁场，目前已有的三维霍尔传感器是将测量单一方向磁场的三个一维霍尔传感器集成在一起而得到，其尺寸较大、布线复杂，在一些微型霍尔传感器的新应用受到限制。例如：医学诊断中检测附着在目标分子上的磁性标签等。而目前虽然已有一些适合高温工作环境的氮化镓(GaN)异质结霍尔传感器的报道，但其一般只能测量一维的垂直于传感器表面的纵向磁场，并且只能实现磁场测量功能，无法同时实时监控环境和传感器装置工作的温度。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。一方面，与Si材料相比，SiC材料具有宽禁带(约3.25eV)，高热导率(3～5W/(cmK))，其制作的霍尔传感器在工作时由于不存在内部的纵向电场，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材料适合制作探测水平方向磁场的垂直型霍尔传感器。另一方面，GaN材料异质结(典型如AlGaN/GaN、AlN/GaN、InAlN/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)，因此GaN基材料适合制作探测纵向磁场的水平型霍尔传感器。现有的霍尔传感器主要有两种，一种是以Si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因其可以和集成电路工艺兼容，易于大规模生产，目前市场上较为成熟的产品多为Si材料制作。InAs和InSb等异质结界面处存在高密度由极化电荷诱导产生的高迁移率二维电子气，这些异质结材料制作的霍尔传感器可以获得较高的灵敏度。但这些传统材料本身禁带宽度较窄，在高于125℃的环境下材料内部杂质散射、晶格散射等机制严重影响载流子迁移率，使得磁传感器的探测灵敏度严重衰减，无法正常工作，因此限制了霍尔传感器在高温环境下使用。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，已经设计出将水平型霍尔传感器(测量Z方向磁场)和垂直型霍尔传感器(测量X或Y方向的水平磁场)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、布线复杂。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。例如，目前市场上较为成熟如英飞凌的TLV493D三维霍尔传感器，它是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。其缺点同样是尺寸大、空间分辨率不高并且只能在低于125℃的环境下工作。目前已有一些关于高温霍尔传感器的报道，如GaN异质结的水平型霍尔传感器。GaN材料较大的禁带宽度使得其制作的霍尔传感器可以在高温环境下稳定工作，但其一般只能测量一维的垂直于传感器表面的纵向磁场，并且只能实现磁场测量功能，无法同时实时监控环境和传感器装置工作的温度。传统半导体材料制作的霍尔传感器只能在低温或室温下稳定工作，在高于125℃的环境下材料内部杂质散射、晶格散射等机制严重影响载流子迁移率，导致传感器无法正常工作。为探测空间任意方向磁场设计的集成三维霍尔传感器尺寸较大，限制了其在微型和纳米型小尺寸霍尔传感器的应用。GaN异质结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，在垂直沟道的方向存在纵向电场，使得垂直型霍尔传感器灵敏度降低。虽然已有一些关于GaN异质结高温水平型霍尔传感器的报道，这些传感器只能实现磁场测量功能，无法同时实现工作温度的实时监控。
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具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器及其制作方法，该三维霍尔传感器可以在高温下稳定的工作，测量空间任意方向磁场，尺寸较小，具有较大的灵敏度，同时具有温度测量功能，可以在不影响传感器正常工作的前提下进行精确磁场测量和实时工作温度监测。技术方案如下：一种具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器，包括：衬底、缓冲层、外延层、势垒层，所述衬底上依次生长缓冲层、外延层和势垒层，所述外延层异质结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；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，所述势垒层上表面设置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；所述信号输入电极C3和信号输入电极C4从所述势垒层延伸至所述外延层、并与所述外延层接触连接。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，所述外延层是GaN，所述势垒层是AlGaN、AlN、InAlN或者它们的任意组合。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3nm～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。进一步的，所述衬底边缘的横截面为阶梯形，所述公共端电极C1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器，其特征在于，包括：衬底、缓冲层、外延层、势垒层，所述衬底上依次生长缓冲层、外延层和势垒层，所述外延层异质结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；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，所述势垒层上表面设置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；所述信号输入电极C3和信号输入电极C4从所述势垒层延伸至所述外延层、并与所述外延层接触连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器，其特征在于，包括：衬底、缓冲层、外延层、势垒层，所述衬底上依次生长缓冲层、外延层和势垒层，所述外延层异质结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；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，所述势垒层上表面设置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；所述信号输入电极C3和信号输入电极C4从所述势垒层延伸至所述外延层、并与所述外延层接触连接。


2.如权利要求1所述的具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器，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，所述外延层是GaN，所述势垒层是AlGaN、AlN、InAlN或者它们的任意组合。


3.如权利要求1所述的具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器，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3nm～100nm。


4.如权利要求1所述的具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器，其特征在于，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。

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【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