曹亞慶 黃火林? 孫仲豪 李飛雨 白洪亮 張卉 孫楠 Yung C.Liang

1)(大連理工大學(xué)光電工程與儀器科學(xué)學(xué)院,大連 116024)

2)(大連理工大學(xué)物理學(xué)院,大連 116024)

3)(新加坡國(guó)立大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系,新加坡 119260)

1 引 言

霍爾傳感器用于探測(cè)空間磁場(chǎng)大小,基于這種傳感器的探測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域,例如生物醫(yī)療、汽車電子中的防抱死系統(tǒng)、無刷電機(jī)以及電子羅盤[1?5]等.傳統(tǒng)霍爾傳感器是基于硅、砷化銦或銻化銦等窄禁帶半導(dǎo)體材料制作而成的[6?8].硅材料制作的霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)是失調(diào)電壓小、容易與信號(hào)調(diào)制電路集成以及便于量產(chǎn)[6].砷化銦和銻化銦異質(zhì)結(jié)界面處具有高遷移率的二維電子氣(two-dimensional electron gas,2-DEG),基于這種材料制作的傳感器具有很高的靈敏度.例如,典型的砷化銦霍爾傳感器在室溫下的最大霍爾遷移率超過 10000 cm2/(V·s),電流相關(guān)敏感度可達(dá) 300 V/(A·T)[7].然而,這些材料本身禁帶寬度較小(例如,硅的禁帶為 1.12 eV,砷化銦的禁帶為0.35 eV),材料的物理特性在高于100 ℃的工作環(huán)境中發(fā)生顯著變化,因此制作的霍爾傳感器往往只能工作在100 ℃以下.在高于100 ℃環(huán)境中工作時(shí),其器件的溫漂系數(shù)過大(典型值達(dá)到13800 ppm/K)[9],探測(cè)靈敏度明顯下降甚至失效.在一些高溫、強(qiáng)輻射等特殊環(huán)境,例如空間探測(cè)、核電站和軍用領(lǐng)域,這些傳統(tǒng)的霍爾傳感器已經(jīng)不能夠滿足應(yīng)用要求,因此發(fā)展新材料、采用新工藝去設(shè)計(jì)并制作適用于高溫工作環(huán)境的霍爾傳感器具有重要意義.

氮化鎵(GaN)基III—V族異質(zhì)結(jié)材料(典型如AlGaN/GaN)作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體的重要代表之一,具有明顯的自身材料優(yōu)勢(shì).首先,GaN具有大的禁帶寬度,室溫下為3.4 eV,是硅的3倍,砷化銦的9倍,銻化銦的20倍,因此其具有更高的臨界擊穿電場(chǎng)、更優(yōu)的高溫工作穩(wěn)定性,能夠應(yīng)用在 300 ℃ 以上的極端環(huán)境中[10?14].其次,GaN的理論本征載流子濃度很低,因此制作的霍爾傳感器噪聲小、靈敏度較高.另外,GaN基III—V族異質(zhì)結(jié)界面處勢(shì)阱中,高密度的自發(fā)極化和壓電極化面電荷產(chǎn)生強(qiáng)的電場(chǎng),誘導(dǎo)電子匯聚在勢(shì)阱中并限制其在二維空間運(yùn)動(dòng),從而形成無需故意摻雜就具有的2-DEG[15,16],因此具有明顯高出體材料的電子遷移率(約 2000 cm2/(V·s)).利用這種 GaN 基異質(zhì)結(jié)材料制作的霍爾傳感器,其工作敏感度較高,非常適合應(yīng)用在高溫工作環(huán)境中[17,18].最后,GaN基霍爾傳感器的研發(fā)還可借助于現(xiàn)有龐大的GaN基LED行業(yè),從而提高產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模,降低成本,因此具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景.

目前,國(guó)際上已經(jīng)有少量基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料的霍爾傳感器的研究報(bào)道,其霍爾電極分布主要是十字形或者方形結(jié)構(gòu)的水平型,一般具有四端電極,這種類型的傳感器只能探測(cè)垂直于器件表面的磁場(chǎng)[13,19,20].而用于探測(cè)平行于器件表面磁場(chǎng)的垂直型霍爾傳感器至今并未見相關(guān)研制成果報(bào)道.垂直型霍爾傳感器的設(shè)計(jì)和制作具有重要意義,它的突破使得在外延片上進(jìn)行芯片制作環(huán)節(jié)就能實(shí)現(xiàn)具有三維磁場(chǎng)探測(cè)功能的高端霍爾傳感器[19,21?24],因此能明顯減小芯片體積、縮減成本.三維霍爾傳感器具有更廣的應(yīng)用范圍、更優(yōu)的使用便捷性和準(zhǔn)確性,縮小芯片體積后還能應(yīng)用于某些對(duì)空間要求苛刻的特殊測(cè)試環(huán)境.目前限制GaN基材料垂直型霍爾傳感器的主要技術(shù)瓶頸之一是2-DEG溝道雖然具有高的電子遷移率,但是在異質(zhì)結(jié)界面處垂直于溝道方向具有很高的縱向電場(chǎng),電子被限制在界面的溝道中,因霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的洛倫茲力驅(qū)離載流子偏移原輸運(yùn)軌道的能力較弱,從而導(dǎo)致檢測(cè)到的霍爾電壓較小,傳感器探測(cè)敏感度降低.

為了解決以上問題,本文提出具有五端電極分布、采用2-DEG溝道勢(shì)壘層選區(qū)淺刻蝕形成局部凹槽結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)垂直型霍爾傳感器.本文首先從理論上論證采用該方案實(shí)現(xiàn)垂直型霍爾傳感器的優(yōu)勢(shì),同時(shí),為了獲得更加準(zhǔn)確可靠的器件仿真結(jié)果,在仿真前對(duì)材料參數(shù)和物理模型進(jìn)行了校準(zhǔn).仿真中對(duì)器件的幾何參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)地優(yōu)化,并探討了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)垂直型器件性能的影響,重點(diǎn)研究勢(shì)壘層刻蝕深度對(duì)器件霍爾電壓的影響.仿真結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的器件具有較大的磁場(chǎng)探測(cè)靈敏度和優(yōu)良的工作溫度穩(wěn)定性,對(duì)磁場(chǎng)傳感器技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展具有理論指導(dǎo)意義.

2 霍爾傳感器的關(guān)鍵指標(biāo)與垂直型器件結(jié)構(gòu)的提出

2.1 霍爾傳感器的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體水平型霍爾傳感器一般有四個(gè)電極,其中兩個(gè)電極是電流輸入端,另外兩個(gè)電極是電壓輸出端.通過在半導(dǎo)體兩個(gè)輸入端電極通入恒定電流,在垂直于半導(dǎo)體平面方向施加外磁場(chǎng),則半導(dǎo)體內(nèi)的載流子將受到洛倫茲力的作用,因此向垂直于電流和磁場(chǎng)方向的半導(dǎo)體兩側(cè)聚集,穩(wěn)定時(shí)在兩側(cè)電極形成電勢(shì)差,即霍爾電壓(VH).五電極垂直型霍爾傳感器首先由Popovic[24]提出,可以采用恒壓或恒流方式激勵(lì),采用恒流激勵(lì)測(cè)量電壓信號(hào)時(shí),其霍爾電壓可表達(dá)為[24?26]

式中G為霍爾傳感器的幾何因子,rH為霍爾散射系數(shù),n為半導(dǎo)體材料的載流子濃度,w為源區(qū)的寬度,Ib為輸入端激勵(lì)電流,B為平行器件表面方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度.

評(píng)價(jià)霍爾傳感器的關(guān)鍵指標(biāo)之一是磁場(chǎng)靈敏度,常用電流相關(guān)敏感度SI標(biāo)記,表示單位電流、單位磁場(chǎng)強(qiáng)度下獲得的霍爾電壓大小,其具體表達(dá)式為[24,26]

另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是靈敏度溫度漂移系數(shù)(溫漂系數(shù)),常用ST標(biāo)記,表示單位溫度變化下磁場(chǎng)靈敏度變化的相對(duì)量,因此可以定量地表示器件工作的溫度穩(wěn)定性,其具體表達(dá)式為[19]

式中T為器件工作的溫度;SI(T0)代表了室溫下的磁場(chǎng)敏感度,ST越小,表明霍爾傳感器的溫度穩(wěn)定性越好.

2.2 GaN基異質(zhì)結(jié)垂直型霍爾傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文利用局部刻蝕減薄AlGaN勢(shì)壘層,通過減小異質(zhì)結(jié)界面處極化電荷誘導(dǎo)產(chǎn)生的縱向電場(chǎng),從而有效提高測(cè)量得到的霍爾電壓,該垂直型霍爾傳感器的剖面和俯視結(jié)構(gòu)如圖1所示.傳感器結(jié)構(gòu)采用Si襯底和AlN應(yīng)力緩沖層,其上外延生長(zhǎng)非故意摻雜的GaN材料和Al0.25Ga0.75N勢(shì)壘層.C0,C1和C2為傳感器主電極;長(zhǎng)度均為l1;S1和S2為感測(cè)電極,長(zhǎng)度均為l2;C0與C1(或C2)間距為L(zhǎng)1,器件結(jié)構(gòu)關(guān)于中心主電極C0呈對(duì)稱分布.S1和S2經(jīng)淺刻蝕減薄后,保留其勢(shì)壘層厚度為d,感測(cè)電極S1(或S2)與中心主電極C0邊緣的距離為L(zhǎng)2,傳感器的有效寬度記作w.測(cè)量過程磁場(chǎng)方向平行于傳感器表面電極,如圖1所示.

圖1 基于GaN基異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的垂直型霍爾傳感器結(jié)構(gòu)(a)剖面圖;(b)俯視圖Fig.1.Schematic diagram of GaN-based vertical Hall sensor:(a)Sectional and(b)top views.

垂直型霍爾傳感器工作原理如下:C1和C2電極作為公共端接地,C0作為激勵(lì)源的電流輸入端,測(cè)量S1和S2之間的電勢(shì)差即為霍爾電壓;無平行器件表面的外加磁場(chǎng)時(shí),由于器件結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,感測(cè)電極處的電勢(shì)相等,霍爾電壓為零;如圖1所示,當(dāng)存在平行器件電極方向的磁場(chǎng)B時(shí),主電極C0→C1和C0→C2的電流方向與磁場(chǎng)方向相互垂直,載流子在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)受到垂直于電流和磁場(chǎng)方向(即y方向)的洛倫茲力,由于C0→C1和C0→C2的電流方向相反,兩者受到的洛倫茲力方向也相反,從而發(fā)生載流子在y方向(縱向載流子分離,這是垂直型霍爾傳感器的重要特征)運(yùn)動(dòng)偏移,形成明顯的電勢(shì)差,即霍爾電壓VH.

對(duì)于常規(guī)GaN基異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)(S1和S2下方勢(shì)壘層未進(jìn)行刻蝕),2-DEG溝道界面處極化正電荷誘導(dǎo)產(chǎn)生的電場(chǎng)力能有效抵消外加磁場(chǎng)形成的洛倫茲力,因此溝道中載流子發(fā)生縱向偏移的能力明顯減弱,因此感測(cè)得到的霍爾電壓過小,傳感器的靈敏度較低.本文通過減薄感測(cè)電極下方的勢(shì)壘層,縮短勢(shì)壘層表面極化負(fù)電荷與2-DEG溝道距離,利用該極化負(fù)電荷誘導(dǎo)產(chǎn)生的相反方向電場(chǎng)力來部分抵消異質(zhì)結(jié)界面處過高的縱向電場(chǎng)力.由于該方案保留部分勢(shì)壘層厚度,保證了光滑平整、完好無損的溝道界面,2-DEG電子遷移率大小并未受明顯影響,而載流子縱向運(yùn)動(dòng)偏移的能力得到增強(qiáng),因此傳感器感測(cè)霍爾電壓明顯增大.

3 仿真與器件物理參數(shù)校正

本文在TCAD仿真中重點(diǎn)研究磁場(chǎng)對(duì)半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)載流子的影響,仿真中采用了磁場(chǎng)相關(guān)電流傳輸模型,其表達(dá)式如下[27?29]:

其中,

式中Ja為載流子電流密度,μa為載流子遷移率,μa*為霍爾遷移率,??α為電子或空穴的準(zhǔn)費(fèi)米勢(shì),B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,B為其模值,a為電子n或空穴p.

從真實(shí)器件應(yīng)用出發(fā),本文仿真過程重點(diǎn)關(guān)注溫度對(duì)磁場(chǎng)傳感器特性的影響,因此仿真過程引入溫度相關(guān)遷移率模型并加以優(yōu)化.本文采用了Farahmand等[30]通過擬合蒙特卡羅計(jì)算結(jié)果得出的用于GaN材料溫度相關(guān)的低場(chǎng)電子遷移率模型,該解析模型較為精確地考慮了合金組分、溫度特性、合金無序效應(yīng)等因素,其表達(dá)式如下:

式中,

其中,μ0為低場(chǎng)遷移率;E為電場(chǎng)強(qiáng)度;vsat為電子飽和速度;EC為關(guān)鍵電場(chǎng);參數(shù)a,n1和n2為表達(dá)式(6)中的擬合參數(shù);N為摻雜濃度;μmax和μmin為最大和最小載流子遷移率;a,b1,b2,b3和b4為表達(dá)式(7)中的擬合參數(shù).此外,仿真過程還引入載流子陷阱復(fù)合模型來模擬傳感器實(shí)際工作中載流子輸運(yùn)過程可能的俘獲和發(fā)射情況.仿真計(jì)算采用時(shí)域有限差分法,通過分割并分別求解器件網(wǎng)格單元的泊松方程和載流子連續(xù)性方程,從而最后得到器件的電流密度、電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)分布等物理數(shù)據(jù),通過計(jì)算得到VH,SI和ST等傳感器重要性能參數(shù).

本文仿真中材料和器件結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如下:AlxGa1–xN勢(shì)壘層厚度為25nm,Al組分x=0.25,GaN外延層厚度為6μm,AlN緩沖層厚度為25nm;C0,C1和C2主電極長(zhǎng)度l1=1.5μm,S1和S2感測(cè)電極長(zhǎng)度l2=1μm,C0與C1(或C2)間距L1=8.5μm,感測(cè)電極S1(或S2)與中心主電極C0的距離L2=2μm;器件臺(tái)面寬度w=10μm;GaN材料的背景載流子濃度為5×1014cm–3;結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化過程中,AlxGa1–xN勢(shì)壘層厚度d的取值范圍為1nm≤d≤25nm.AlxGa1–xN勢(shì)壘層剩余厚度d的大小將顯著影響2-DEG溝道中電子濃度和遷移率大小,為了使仿真貼近實(shí)際器件工藝,本文首先在仿真中對(duì)物理參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn).Anderson等[31]報(bào)道了AlGaN勢(shì)壘層淺刻蝕的HEMT器件的電學(xué)特性,給出了刻蝕深度對(duì)器件參數(shù)變化(特別是電子遷移率)的具體影響,本文通過對(duì)比仿真得到的轉(zhuǎn)移特性曲線與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)仿真中所用物理參數(shù).如圖2所示,兩者閾值電壓和電流大小數(shù)據(jù)匹配較好,說明本文仿真結(jié)果具有較好的準(zhǔn)確性和可靠性,校正后的主要器件物理參數(shù)列于表1.

圖2 器件仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)移特性結(jié)果進(jìn)行對(duì)比的器件參數(shù)校準(zhǔn)過程[31]Fig.2.Comparisons of simulated IDS-VGS characteristics of the Hall sensor with the experimental data.

表1 仿真中所用的典型器件物理參數(shù)Table 1. Summary of physical parameters adopted in the simulations.

4 仿真結(jié)果與討論

圖3和圖4分別展示了感測(cè)電極下方靠近2-DEG溝道附近的電子濃度分布以及輸出霍爾電壓仿真結(jié)果,與感測(cè)電極下方AlGaN勢(shì)壘層厚度d的關(guān)系.從圖3和圖4可以看出:隨著感測(cè)電極下方AlGaN勢(shì)壘層厚度d的減小,異質(zhì)結(jié)界面處的凈極化電荷數(shù)量逐漸減小,其誘導(dǎo)產(chǎn)生的縱向電場(chǎng)減小,因此感測(cè)電極下方的2-DEG濃度迅速降低;而同樣由于縱向束縛電場(chǎng)減小,洛倫茲力驅(qū)離載流子偏移原輸運(yùn)軌道的能力增強(qiáng),因此感測(cè)電極之間的電勢(shì)差增大,器件的輸出霍爾電壓明顯增加,其變化規(guī)律符合(1)式.霍爾電壓在d=7 nm處達(dá)到峰值,當(dāng)繼續(xù)刻蝕使得AlGaN勢(shì)壘層較薄時(shí),受溝道電子遷移率下降的影響,輸出霍爾電壓開始減小.因此,勢(shì)壘層剩余厚度d存在最佳取值,本文選定其值為7 nm.

圖3 2-DEG溝道界面下方電子濃度分布與勢(shì)壘層剩余厚度的關(guān)系Fig.3.Profiles of 2-DEG concentration vs.AlGaN barrier thickness.

圖4 霍爾電壓(或 2-DEG 電子濃度)與勢(shì)壘層剩余厚度的關(guān)系Fig.4.Hall voltage(or 2-DEG concentration)vs.AlGaN barrier thickness.

圖5展示了感測(cè)電極下方勢(shì)壘層剩余厚度d=7 nm 時(shí),在無外加磁場(chǎng)和外加磁場(chǎng)B=1 T 情況下,傳感器電流密度空間分布對(duì)比情況.從圖5可以看出,當(dāng)器件表面平行方向不存在磁場(chǎng)時(shí),兩側(cè)的感測(cè)電極下方電流密度呈空間對(duì)稱分布,因此感測(cè)電極S1和S2之間電勢(shì)差為零,如圖5(a)所示;而當(dāng)垂直紙面向里方向存在磁場(chǎng)時(shí),感測(cè)電極S1下方的電子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力作用發(fā)生向下偏移,而S2下方的電子運(yùn)動(dòng)向上偏移,兩邊感測(cè)電極處縱向束縛電場(chǎng)的減弱間接加速了電子在縱向的偏移過程,穩(wěn)定后感測(cè)電極S1和S2之間將產(chǎn)生明顯的電勢(shì)差,如圖5(b)所示,圖中虛線清晰地標(biāo)明兩側(cè)電流空間分布差值情況.

霍爾傳感器中的結(jié)構(gòu)尺寸,特別是L2/L1比值、感測(cè)電極長(zhǎng)度l2和器件臺(tái)面寬度w等參數(shù)對(duì)傳感器靈敏度影響較大,本文在仿真過程重點(diǎn)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,仿真中采用的激勵(lì)電流為0.5 mA,外加磁場(chǎng)強(qiáng)度B=0.5 T.

圖6展示了霍爾傳感器電流相關(guān)敏感度SI與L2/L1比值的關(guān)系,圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)為經(jīng)過對(duì)數(shù)十個(gè)不同尺寸器件仿真模擬并經(jīng)過計(jì)算得到.仿真中設(shè)置感測(cè)電極的長(zhǎng)度l2=1 μm,器件的寬度w=10 μm.圖6中虛線是對(duì)仿真所得數(shù)據(jù)點(diǎn)分布進(jìn)行線性擬合得出的,其數(shù)學(xué)關(guān)系式已列在圖中.從仿真結(jié)果可以看出,電流相關(guān)敏感度隨著L2/L1比值的增加而增加.其原因是:隨著L2/L1比值增加,感測(cè)電極相對(duì)兩側(cè)主電極的位置發(fā)生改變,當(dāng)感測(cè)電極靠近器件兩側(cè)時(shí),器件的幾何因子G增加[21,26],由前面表達(dá)式(2)可知電流相關(guān)敏感度也隨之增加;另外,隨著L2/L1比值增加,靠近兩側(cè)主電極處的載流子受洛倫茲力的影響增強(qiáng),感測(cè)電極之間的電勢(shì)差逐漸增加,因此霍爾電壓增加,器件的電流相關(guān)敏感度也隨之增加.因此在實(shí)際器件設(shè)計(jì)制作過程中,為了增大傳感器的靈敏度,可以適當(dāng)減小主電極C0與C1(或C2)之間的間距L1,或者適當(dāng)增加C0與S1(或S2)之間的間距L2.

圖7展示了電流敏感度以及輸入電阻仿真結(jié)果,與感測(cè)電極長(zhǎng)度的關(guān)系,其中感測(cè)電極l2的長(zhǎng)度變化范圍為 0.50—2 μm,而主電極間距L1=4.05 μm,感測(cè)電極與主電極間距L2=2 μm 以及器件寬度w=10 μm.由仿真結(jié)果可知,器件的敏感度隨著感測(cè)電極長(zhǎng)度的增加有所增加,當(dāng)感測(cè)電極長(zhǎng)度為1.25 μm時(shí),器件的峰值電流相關(guān)敏感度為 22.8 V/(A·T).隨著感測(cè)電極長(zhǎng)度繼續(xù)增加,器件的輸入電阻呈線性增加,而敏感度逐漸下降.其原因是:器件的電流相關(guān)敏感度的大小與器件導(dǎo)電溝道中的載流子濃度成反比,隨著感測(cè)電極長(zhǎng)度的增加,其下方勢(shì)壘層經(jīng)過刻蝕后,異質(zhì)結(jié)界面處的2-DEG濃度平均值有所降低[31],因此電流敏感度逐漸增加;而當(dāng)感測(cè)電極的長(zhǎng)度過大時(shí),兩側(cè)有效電勢(shì)差部分抵消,因此霍爾電壓開始下降[25].綜合考慮,本文選取其最優(yōu)值為l2=1.25 μm.

圖5 當(dāng) d=7 nm 時(shí),傳感器電流密度空間分布對(duì)比(a)無外加磁場(chǎng);(b)外加磁場(chǎng) B=1 TFig.5.Comparisons of current density distribution in vertical Hall sensor with d=7 nm under the conditions of(a)B=0 and(b)B=1 T.

圖6 電流相關(guān)敏感度 SI與 L2/L1 比值的關(guān)系Fig.6.Current-related sensitivity as a function of the ratio of L2/L1.

圖7 電流相關(guān)敏感度 SI(或輸入電阻 Rin)與感測(cè)電極長(zhǎng)度l2的關(guān)系Fig.7.Current-related sensitivity and input resistance as a function of the l2.

接下來進(jìn)一步優(yōu)化霍爾傳感器臺(tái)面寬度w,仿真中w值分別設(shè)置為 2,4,6,8,10 μm.器件的其他參數(shù)如下:主電極間距L1=4.05 μm,感測(cè)電極與主電極間距L2=2 μm,感測(cè)電極長(zhǎng)度l2=1.25 μm.仿真結(jié)果如圖8所示,隨著器件臺(tái)面寬度的縮減,電流敏感度和輸入電阻逐漸上升,其變化規(guī)律符合(2)式.器件的霍爾電壓VH及電流相關(guān)敏感度SI與器件的寬度w成反比關(guān)系,即w越大,器件的霍爾電壓及電流相關(guān)敏感度均降低.因此理論上器件寬度w應(yīng)當(dāng)減小[21],但是電流敏感度的提高將以犧牲器件輸入電阻為代價(jià).此外,考慮實(shí)驗(yàn)室中利用常規(guī)光刻技術(shù)制作傳感器,線寬越小曝光和剝離過程難度越大,成品率更低,因此在實(shí)際器件設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)折衷考慮,同時(shí)結(jié)合電路匹配情況進(jìn)行選擇.

圖8 電流相關(guān)敏感度(或輸入電阻)與器件寬度w的關(guān)系Fig.8.Current-related sensitivity and input resistance as a function of the w.

圖9展示了不同工作溫度下,GaN材料垂直型霍爾傳感器的霍爾電壓隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化關(guān)系.仿真中,選取主電極間距L1=4.05 μm、感測(cè)電極的長(zhǎng)度l2=1.25 μm、感測(cè)電極與中心主電極的距離L2=2 μm 以及器件的寬度w=3 μm.傳感器工作中激勵(lì)電流選取為0.3 mA,外加磁場(chǎng)強(qiáng)度變化范圍為–0.5 T ≤B≤ 0.5 T,溫度變化范圍為 300—525 K.從圖9可以看出,無論正反磁場(chǎng)條件下或者不同環(huán)境溫度下,輸出霍爾電壓與磁場(chǎng)大小均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系.進(jìn)一步利用(2)和(3)式可以計(jì)算得到電流相關(guān)敏感度和溫漂系數(shù).圖10展示了傳感器敏感度隨工作溫度的變化關(guān)系,其中虛線由線性回歸擬合得到,圖中列出了利用該線性關(guān)系計(jì)算得到的溫漂系數(shù).從仿真結(jié)果可知,室溫下(T=300 K)器件的電流敏感度為 75.7 V/(A·T),在 300—375 K 溫度范圍內(nèi)器件的溫度漂移系數(shù)為 637.4 ppm/K,在 375—525 K 溫度范圍內(nèi)器件的溫度漂移系數(shù)為–613.0 ppm/K,圖10電流敏感度變化趨勢(shì)反映真實(shí)傳感器工作過程中的物理規(guī)律[32].其原因是,材料遷移率主要受電離雜質(zhì)散射和晶格散射這兩種機(jī)制的影響.當(dāng)傳感器處于相對(duì)較低工作溫度時(shí),載流子遷移率主要受電離雜質(zhì)散射影響,隨著溫度上升,該散射影響減弱,因此電流敏感度增加;而當(dāng)傳感器處于高溫工作情況時(shí),載流子遷移率主要受晶格振動(dòng)散射影響,以聲學(xué)散射為主且晶格散射隨著溫度的升高而增強(qiáng),因此電流敏感度開始下降.但本文寬帶隙GaN材料霍爾傳感器相對(duì)其他窄帶隙材料,晶格散射對(duì)其敏感度影響明顯更小.

圖9 器件輸出電壓隨磁場(chǎng)和工作溫度的變化Fig.9.Temperature dependence of output Hall voltage as a function of magnetic induction.

圖10 電流相關(guān)敏感度隨工作溫度的變化Fig.10.Current-related sensitivity as a function of temperature.

本文工作與目前具有代表性的、能代表目前霍爾傳感器發(fā)展水平的器件類型進(jìn)行對(duì)比,表2列出了不同材料和結(jié)構(gòu)類型的半導(dǎo)體霍爾傳感器關(guān)鍵性能指標(biāo)對(duì)比結(jié)果[7,19,33,34].從表2可以看出,傳統(tǒng)Si基窄禁帶半導(dǎo)體霍爾傳感器受制于載流子遷移率較低的影響,其電流相關(guān)靈敏度一般較小.而由于材料禁帶寬度小,其器件溫漂系數(shù)都在1000 ppm/K以上,且一般只能工作在室溫環(huán)境.InAs材料為主的窄禁帶半導(dǎo)體雖然電流相關(guān)靈敏度較大,但其溫漂系數(shù)同樣很大,工作溫度往往小于400 K或者只能在特定低溫條件下工作.而現(xiàn)有報(bào)道的GaN基霍爾傳感器能工作在大于400 K的高溫環(huán)境,但其主要是水平型,垂直型結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)和研制工藝難度都較大,目前其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者仿真結(jié)果都還未見報(bào)道.即使是水平型器件,其感測(cè)磁場(chǎng)的電流敏感度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還普遍較低.與上述這些器件相比,本文所設(shè)計(jì)的GaN基霍爾傳感器為垂直型結(jié)構(gòu),填補(bǔ)了寬禁帶材料垂直型器件研究的空白,為實(shí)現(xiàn)同一芯片三維磁場(chǎng)探測(cè)奠定了理論和技術(shù)支持.所設(shè)計(jì)的傳感器能穩(wěn)定工作在大于500 K的高溫環(huán)境,經(jīng)過器件結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化后,得了較大的磁場(chǎng)感測(cè)靈敏度和較低的溫漂系數(shù),因此該類型器件將具有良好的工作穩(wěn)定性和可靠性.

表2 基于不同材料的霍爾傳感器關(guān)鍵性能指標(biāo)對(duì)比Table 2. Comparisons of key performances of Hall sensors based on various materials.

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于寬禁帶半導(dǎo)體AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料的垂直型霍爾傳感器,通過減薄感測(cè)電極下方勢(shì)壘層厚度來降低縱向電子束縛電場(chǎng),仿真工作表明器件的磁場(chǎng)探測(cè)敏感度得到明顯提高.本文對(duì)器件的關(guān)鍵幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,器件優(yōu)化結(jié)構(gòu)如下:勢(shì)壘層厚度d=7 nm、電極間距比值L2/L1=0.49、感測(cè)電極長(zhǎng)度l2=1.25 μm 及臺(tái)面寬度w=3 μm.基于該結(jié)構(gòu)獲得的器件電流敏感度為 75.7 V/(A·T),在 300—375 K 和 375—525 K兩個(gè)工作溫度范圍內(nèi)器件的溫漂系數(shù)分別為637.4 和–613.0 ppm/K,器件能工作在溫度大于500 K的高溫環(huán)境.本文率先提出對(duì)GaN材料垂直型霍爾傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)研究,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)同一芯片三維磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ),下一步可以將垂直型和現(xiàn)有水平型霍爾傳感器在同一塊芯片材料上進(jìn)行同步制作,獲得高集成度、輕量化、更高磁場(chǎng)探測(cè)敏感度的高溫三維霍爾傳感器.