полупроводниковый прибор, чувствительный к магнитному полю

Формула изобретения

Полупроводниковый прибор, чувствительный к магнитному полю, в виде латерального биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора, содержащего многокристаллическую подложку первого типа проводимости, глубокий карман на поверхности подложки, имеющий малую концентрацию примеси и второй тип проводимости, области контактов к базе, расположенные в кармане, сильно легированные области эмиттера, первого и второго рабочих коллекторов первого типа проводимости глубиной, меньше глубины кармана, расположенные внутри кармана, первый и второй контакты к подложке, расположенные вне кармана, отличающийся тем, что диффузионные области контактов к базе расположены ближе к эмиттеру, чем рабочие коллекторы, глубина областей контактов к базе не менее глубины кармана, а длина - не менее ширины кармана, контакты к базе и контакты к подложке присоединены к одному и тому же источнику напряжения.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой электронике, полупроводниковым приборам - биполярным структурам, обладающим чувствительностью к воздействию магнитного поля.

Полупроводниковые датчики величины и направления магнитного поля находят все более широкое распространение в интегрированных микросистемах благодаря возможности их объединения с остальными компонентами микросистем методами микроэлектроники и создания микроминиатюрных приборов для контроля и управления в автоматизированных комплексах различного назначения.

Среди различных видов полупроводниковых магниточувствительных элементов резисторов, диодов, датчиков Холла, биполярных и МОП двухколлекторных транзисторов со времени изобретения первого биполярного двухколлекторного магниточувствительного транзистора (БМТ) /1/ этот прибор вызывает особый интерес в связи с возможностью получения высокой магниточувствительности. Подробно этот прибор описан в работе /2/. Магниточувствительность БМТ обусловлена отклонением в магнитном поле под действием силы Лоренца потоков инжектированных из эмиттера носителей тока при пробеге их через базу к коллекторам. Для повышения магниточувствительности биполярного двухколлекторного транзистора разрабатываются структуры прибора, в которых используются физические эффекты: эффект Холла, перераспределение тока между коллекторами под действием силы Лоренца, гальваномагнитные эффекты, рекомбинация носителей тока в объеме и на поверхности прибора, электрическое взаимодействие носителей разного знака. В результате действия этих эффектов создается изменение токов коллекторов при воздействии магнитного поля.

В патенте /1/ предлагается прибор, в котором под действием силы Лоренца перераспределяется ток инжектированных из эмиттера носителей тока в базе обычного вертикального биполярного транзистора при их движении к разрезанному на две части коллектору. В этом приборе большая часть носителей достигает коллекторов и на фоне этого потока перераспределенная под воздействием магнитного поля часть тока составляет незначительную величину и, соответственно, определяемая по формуле при В=0 [1], относительная магниточувствительность имеет величину не более 0,05 Т^-1.

Переход от вертикальной структуры транзистора к горизонтальной /3/ обеспечил получение значительно более высокой чувствительности. Этот прибор /4/ состоит из пары латеральных транзисторов с общим эмиттером. Малый коэффициент передачи тока из эмиттера в коллектор из-за большого расстояния от эмиттера до коллекторов и высокой скорости рекомбинации носителей тока в базе на поверхности кристалла определяет невысокие значения тока рабочих коллекторов. Существенное значение для работы прибора имеет то, что инжектированные из эмиттера потоки носителей тока к двум коллекторам текут в противоположных направлениях и под действием силы Лоренца один поток прижимается к поверхности, а другой поток отодвигается от поверхности. Первоначальная малая величина тока коллектора в магнитном поле сильно изменяется, например, наблюдается dI_k/dB в 4 раза больше, чем первичный ток коллектора Iк при В=0 и чувствительность S _R=4 Т^-1.

Повышение чувствительности биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора достигается различными конструктивными усовершенствованиями. В патенте /5/ предлагается высокочувствительный датчик магнитного поля с отклонением под действием магнитного поля потоков двух типов носителей тока, которые протекают в базовой и эмиттерной областях за счет создания двойных контактов к базе и к эмиттеру. Под двумя коллекторами на переходе база-эмиттер возникает Холловское напряжение разного знака и по экспоненте растет ток одного коллектора и уменьшается другого, что позволяет получить более высокую чувствительность.

В патенте /6/ представлен датчик магнитного поля с латеральным биполярным транзистором, сформированным в кармане, и с двойным коллекторным контактом для снижения шумов.

В патенте /7/ на поверхность латерального биполярного транзистора, сформированного в кармане, наносят концентраторы магнитного поля. Такие же концентраторы, но на обратной стороне прибора, вводятся в патенте /8/.

В патенте /9/ добавлены два коллекторных электрода и три базовых контакта. Эта структура, кроме увеличения чувствительности, позволяет совместить транзистор с датчиком Холла и получить два знака магниточувствительности. При малом уровне инжекции в соответствии с эффектом Холла за счет основных носителей формируется полезный сигнал одного знака, а при большом уровне инжекции полезный сигнал другого знака определяется воздействием силы Лоренца на ток неосновных носителей.

В патенте /10/ несколько коллекторных электродов располагаются вокруг эмиттера, что позволяет определить направление действия магнитного поля.

В патенте /11/ из биполярных магниточувствительных транзисторов формируется интегральная матрица, позволяющая измерять распределение магнитного поля.

В работе /12/ описан биполярный латеральный магниточувствительный транзистор, в котором при слабом легировании области эмиттера за счет эффекта Холла возникает модуляция инжекции из эмиттера, что создает повышение магниточувствительности при низком уровне инжекции, а при высоком уровне инжекции носители изменяют сопротивление базы, что повышает чувствительность за счет магнитоконцентрационного эффекта.

Наиболее близким аналогом, принятым нами за прототип, является патент /13/. Датчик магнитного поля в виде латерального биполярного двухколлекторного транзистора, чувствительного к магнитному полю, формируется в кармане на поверхности кремниевой подложки другого по сравнению с карманом типа проводимости. Электроды расположены на поверхности кармана в следующем порядке: в середине эмиттер, слева и справа коллектора, далее слева и справа контакты к базе. На рn-переход между подложкой и карманом с помощью дополнительных контактов к подложке подается обратное смещение, что обеспечивает изоляцию транзистора от других элементов интегральной схемы. Эмиттерная область имеет малую глубину и слабо легирована. Чувствительность датчика составляет примерно 100% Тл^-1.

Основной недостаток этого прибора состоит в том, что состояние поверхности прибора является определяющим фактором для получения высокой магниточувствительности. Поскольку состояние поверхности прибора трудно воспроизводимо и зависит от влияния многих внешних факторов, эти приборы находят ограниченное применение и зачастую используются обладающие меньшей чувствительностью датчики Холла.

Цель изобретения - уменьшение зависимости чувствительности биполярного магниточувствительного транзистора, сформированного в кармане, от состояния поверхности прибора.

Суть изобретения состоит в изменении структуры латерального биполярного магниточувствительного транзистора, сформированного в кармане, за счет расположения контактов к базе между эмиттером и рабочими коллекторами, легировании контактов к базе на всю глубину и ширину кармана, введении электрического соединения между контактами к базе и контактами к подложке. Такая структура и режим работы создают направление потока инжектированных из эмиттера носителей тока в сторону подложки, где происходит рекомбинация носителей в объеме полупроводника, практически исключая зависимость параметров прибора от состояния поверхности прибора.

На фиг.1 представлено поперечное сечение полупроводникового прибора, чувствительного к магнитному полю; топология планарной структуры прибора представлена на фиг.2; схема включения напряжения дана на фиг.3; распределение скорости рекомбинации в объеме прибора в области около эмиттера приведено на фиг.4; условное распределение потоков носителей тока показано на фиг.5, зависимость токов рабочих коллекторов и магниточувствительности от напряжения смещения базы для конкретного прибора дана на фиг.6.

На фиг.1 показано поперечное сечение полупроводникового прибора, чувствительного к магнитному полю, где прибор состоит из монокристаллической подложки первого типа проводимости (1) с главной поверхностью (2) и обратной стороной (3); глубокого кармана (4), расположенного со стороны главной поверхности подложки и имеющего малую концентрацию примеси, создающей второй тип проводимости; областей контактов к базе (5) и (6), располагающихся в кармане, имеющих глубину не менее глубины кармана и имеющих сильное легирование второго типа проводимости; сильнолегированных областей первого типа проводимости с глубиной меньше глубина кармана, расположенных внутри кармана эмиттера (7), первого (8) и второго (9) рабочих коллекторов и расположенных вне кармана первого (10) и второго (11) контактов к подложке.

На фиг.2 представлена топология планарной структуры прибора, где прибор состоит из монокристаллической подложки (1); глубокого кармана (4), располагающегося в подложке со стороны главной поверхности (2); контактов к базе (5) и (6); располагающихся в кармане и имеющих длину не менее ширины кармана; эмиттерной области (7), располагающейся в кармане между контактами к базе и имеющей длину менее ширины кармана; первого (8) и второго (9) рабочих коллекторов, располагающихся в кармане между контактами к базе и краем кармана и имеющих длину менее ширины кармана; первого (10) и второго (11) контактов к подложке, располагающихся вне кармана.

На фиг.3 дана схема включения напряжения, где на области контактов к базе и к подложке подается смещение базы U базы; на рабочие коллектора подключаются напряжения U коллектора 1 и U коллектора 2 от источника питания через две одинаковых нагрузки; на эмиттер задается потенциал U эмиттера для обеспечения разности потенциалов между базой и эмиттером, при которой протекает ток из базового контакта в эмиттер и создается поток носителей тока (условно показанный стрелками) одного знака, например, J дырок и возникает инжекция из эмиттера носителей тока другого знака и создается поток, например, J электронов, одна часть которого доходит до рабочих коллекторов, другая - до контактов к подложке, а большая часть инжектированных носителей рекомбинирует с носителями другого знака в кармане и в подложке.

На фиг.4 приведено сечение прибора в области около эмиттера размером 26 мкм × 6 мкм и распределение в плоскости сечения скорости объемной рекомбинации инжектированных из эмиттера электронов и вытекающих из контактов к базе дырок в диапазоне скоростей от 9·10¹⁹ до 4·10²⁰ см^-3 с^-1 для конкретной структуры прибора при приложении магнитного поля напряженностью В=1 Тл, из которого видно, что интенсивная рекомбинация проходит по оси симметрии вдоль распространения инжектированного потока электронов, уменьшающегося по мере удаления от эмиттера за счет рекомбинации и растекающегося после выхода в подложку на потоки, идущие к рабочим коллекторам и контактам к подложке, причем характерно наличие более высокой скорости рекомбинации с левой стороны, куда под действием магнитного поля отклоняется поток электронов и куда прижимается поток дырок от левого контакта к базе, тогда как поток дырок от правого контакта к базе отжимается от оси симметрии и потока электронов.

На фиг.5 показано условное распределение потоков носителей тока электронов и дырок, которое имеет симметричный вид без магнитного поля и ассиметричное расположение потоков при воздействии магнитного поля, указаны также области перекрытия потоков, более сильное перекрытие происходит слева от оси симметрии и меньшее - справа, что приводит к уменьшению при воздействии магнитного поля начального значения тока, текущего в левый коллектор и увеличению тока в правый коллектор.

На фиг.6 дана зависимость токов рабочих коллекторов и относительной магниточувствительности от напряжения смещения базы для конкретного прибора, из которой видно, что при малых величинах напряжения смещения между эмиттером и базой ток левого коллектора меньше тока правого коллектора, поэтому относительная магниточувствительность, определяемая по формуле В [2] имеет отрицательный знак, а по величине изменяется и достигает достаточно большого значения 0,43 Т^-1. При больших величинах напряжения смещения между эмиттером и базой ток левого коллектора больше тока правого коллектора, поэтому относительная магниточувствительность имеет положительный знак и по величине достигает значения 0,16 Т^-1.

Поперечное сечение на фиг.1 и топология на фиг.2 показывают структуру латерального биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора, сформированного в кармане с расположением контактов к базе между эмиттером и рабочими коллекторами, легировании контактов к базе на всю глубину и ширину кармана.

На фиг.3 дана схема включения напряжения на прибор с введением электрического соединения между контактами к базе и контактами к подложке, что обеспечивает отсутствие напряжения смещения на рn-переходе подложка-карман и внешнего электрического поля в подложке. В отсутствии внешнего электрического поля в подложке около кармана данная структура определяет диффузионный механизм протекания потока инжектированных из эмиттера носителей тока через карман в сторону подложки. В кармане и в подложке происходит рекомбинация инжектированных носителей тока в объеме полупроводника с носителями тока другого знака, вытекающими из контактов к базе и диффундирующих в карман и в подложку, обеспечивая сохранение электронейтральности в объеме полупроводника компенсацией зарядов носителей тока разного знака. Таким образом, практически исключается зависимость параметров прибора от состояния поверхности прибора.

Особенность данного прибора в части распределения областей с наибольшей скоростью рекомбинации иллюстрируется приведенными на фиг.4 распределением скорости объемной рекомбинации в кармане и подложке недалеко от эмиттера при приложении магнитного поля и на фиг.5 условным распределением потоков носителей тока электронов и дырок без и с магнитным полем. Как видно на этих фигурах, интенсивная рекомбинация проходит по оси симметрии вдоль распространения инжектированного потока электронов. Поток электронов уменьшается по мере удаления от эмиттера за счет рекомбинации и растекания после выхода в подложку на потоки, идущие к рабочим коллекторам и контактам к подложке.

Характерно наличие более высокой скорости рекомбинации с левой стороны, куда под действием магнитного поля отклоняется поток электронов и куда прижимается поток дырок от левого контакта к базе, тогда как поток дырок от правого контакта к базе отжимается от оси симметрии.

Без магнитного поля потоки носителей тока имеют симметричный вид, а при воздействии магнитного поля, направленного вдоль эмиттера, распределение потоков носителей тока ассиметричное и возникает различие перекрытия потоков, более сильное перекрытие происходит слева от оси симметрии и меньшее - справа. Это приводит при воздействии магнитного поля к уменьшению начального значения тока, текущего в левый коллектор и увеличению тока в правый коллектор. Как показано на фиг.6, ток левого коллектора меньше правого коллектора и соответственно относительная магниточувствительность имеет отрицательное значение. При больших напряжениях смещения эмиттер-база ток правого коллектора становится меньше тока левого коллектора и соответственно относительная магниточувствительность имеет положительное значение.

Для определенности считаем, что подложка - кремниевая и имеет n-тип проводимости. Изготовление прибора начинается с формирования области кармана р-типа проводимости с помощью фотолитографии, ионного легирования и термической разгонки, далее с применением тех же технологических процессов формируются области р-типа проводимости контактов к базе и завершается изготовление структуры формированием областей n-типа проводимости контактов к подложке, эмиттера и рабочих коллекторов. Для обеспечения соединения прибора с внешней электрической сетью на поверхность прибора наносится диэлектрический слой окисла кремния, формируются контактные окна ко всем областям и алюминиевая разводка.

На выводы прибора подается напряжение: на базовые контакты и контакты к подложке подается положительное напряжение относительно эмиттера, на выводы коллекторов подается положительное напряжение от источника питания через элементы нагрузки.

Протекание дырочного тока от базы к эмиттеру создает инжекцию электронного тока из эмиттера. Часть потока электронов, инжектированных в карман, рекомбинирует с дырками в кармане, другая часть проходит в подложку и рекомбинирует с дырками, которые приходят из базового контакта для компенсации электрического заряда электронов, еще одна часть электронного тока доходит до контактов к подложке и вносит вклад в ток источника смещения базы, небольшая часть электронов попадает в область кармана вблизи рабочих коллекторов и экстрагируется в них, создавая ток нагрузки. Прибор имеет симметричную структуру и одинаковые нагрузки, поэтому токи рабочих коллекторов равны и на выходах между двумя коллекторами разница напряжений равна нулю.

При приложении к прибору магнитного поля с направлением вдоль оси эмиттера под действием силы Лоренца потоки носителей тока электронов и дырок, текущих в одном направлении испытывают отклонение в противоположные стороны. Потоки дырок, идущих из двух контактов к базе в сторону подложки, отклоняются, например, направо, а поток электронов, идущий из эмиттера в сторону подложки между двух потоков дырок из контактов к базе, отклоняется влево. Под действием магнитного поля происходит усиление перемешивания потока электронов с левым потоком дырок и ослабление перемешивания потока электронов с правым потоком дырок, что приводит к усилению рекомбинации слева и ослаблению рекомбинации справа. Возникает асимметрия потоков электронов, соответственно ток рабочего коллектора слева уменьшается, а ток правого коллектора увеличивается. На одинаковых нагрузках возникает различие падения напряжения и между коллекторами возникает разность напряжений, которая зависит от величины магнитного поля.

Достигнутые максимальные значения относительной магниточувствительности являются рекордными для латерального биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора, сформированного в кармане. Данный прибор обладает новым качеством, т.к. позволяет за счет изменения напряжения смещения базы получать магниточувствительность двух знаков. Длинное название “латеральный биполярный магниточувствительный двухколлекторный транзистор, сформированный в кармане" может быть заменено на условное название "свечеплазм" (svetcheplazm), т.к. форма области рекомбинации электронного потока и двух дырочных потоков очень похожа на пламя свечи, в которой восходящие пары воска сгорают в кислороде атмосферы, поступающей к пламени со всех сторон. Параметры прибора определяются объемными свойствами полупроводника и мало зависят от состояния поверхности прибора, что определяет его высокую стабильность и воспроизводимость при изготовлении.

Источники информации

1. Патент США 3389230.

2. Балтес Г.П., Попович Р.С./ Интегральные полупроводниковые датчики магнитного поля//ТИИЭР, т.74. 1986. №8. С.60-90.

3. Митникова И.М., Персиянов Т.В., Рекалова Г.И., Штюбнер Г.А./Исследование характеристик кремниевых боковых магнитотранзисторов с двумя измерительными коллекторами /ФТП, 1978 г., т.12, №1, стр.48-50.

4. Патент США 4100563.

5. Патент США 4939563.

6. Патент США 5179429.

7. Патент США 4607271.

8. Патент США 6180419 В1.

9. Патент США 5099298.

10. Патент США 5323050.

11. Патент РФ 2140117.

12. R.S.Popovic, H.P.Baltes /Dual-collector magnetotransistor optimized with respect to injection modulation //Sensor and Actuators. Vol.4. 1983, pp.155-163.

13. Патент США 4700211 - прототип.