(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 112540329 A(43)申请公布日 2021.03.23
(21)申请号 202011123809.5(22)申请日 2020.10.20
(71)申请人 中国科学院微电子研究所
地址 100029 北京市朝阳区北土城西路3号(72)发明人 范林杰 毕津顺 习凯 刘明 (74)专利代理机构 北京华沛德权律师事务所
11302
代理人 房德权(51)Int.Cl.
G01R 33/07(2006.01)
权利要求书1页 说明书5页 附图6页
(54)发明名称
一种霍尔传感器及其制备和测试方法(57)摘要
本发明公开了一种霍尔传感器及其制备和测试方法，应用于半导体领域，霍尔传感器包括：衬底；栅极，位于衬底上；栅介质，位于栅极上；霍尔电极对，相对设置于栅介质上；阴极和阳极，相对设置于栅介质上，且阴极设置于霍尔电极对的一端外侧，阳极位于霍尔电极对的另一端外侧，其中，阴极与阳极之间的间隔距离不超过100nm和/或霍尔传感器处于真空环境，通过本发明提高了工作效率和降低功耗。
CN 112540329 ACN 112540329 A
权 利 要 求 书
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1.一种霍尔传感器，其特征在于，包括：衬底；栅极，位于所述衬底上；栅介质，位于所述栅极上；霍尔电极对，相对设置于所述栅介质上；阴极和阳极，相对设置于所述栅介质上，且所述阴极位于所述霍尔电极对一端，所述阳极位于所述霍尔电极对另一端，其中，所述阴极与所述阳极之间的间隔距离不超过100nm和/或所述霍尔传感器处于真空环境。
2.如权利要求1所述的霍尔传感器，其特征在于，所述衬底的材料具体为SiO2。3.如权利要求1所述的霍尔传感器，其特征在于，所述栅极的材料具体为Ti。4.如权利要求1所述的霍尔传感器，其特征在于，所述栅介质的材料具体为SiO2或者Al2O3。
5.如权利要求1所述的霍尔传感器，其特征在于，所述霍尔电极对是材料Ti或者Au形成的金属叠层。
6.如权利要求1所述的霍尔传感器，其特征在于，所述阳极的材料为Au，所述阴极的材料为金刚石、石墨烯、硒化锡中的至少一种。
7.一种霍尔传感器的制备方法，其特征在于，包括：在衬底上形成栅极；
在所述栅极上形成栅介质；
在所述栅介质上形成相对的霍尔电极对；
在所述栅极上靠近所述霍尔电极对一端的位置形成阳极；在所述栅极上靠近所述霍尔电极对另一端的位置，形成与所述阳极位置相对的阴极，其中，所述阴极与所述阳极之间的间隔距离不超过100nm和/或将所述霍尔传感器处于真空环境。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：形成所述衬底的材料具体为SiO2；形成所述栅极的材料具体为Ti；
形成所述栅介质的材料具体为SiO2或者Al2O3；
形成所述霍尔电极对是材料Ti或者Au形成的金属叠层。9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，形成所述阳极的材料为Au，所述阴极的材料为金刚石、石墨烯、硒化锡中的至少一种。
10.一种应用权利要求1‑6中任一所述霍尔传感器测试磁场的方法，其特征在于，包括：通过对所述霍尔传感器的栅极施加正电压，开启所述阴极和所述阳极之间的隧穿通道；
通过对所述阳极施加正电压，以及对所述阴极施加负电压，形成所述阳极至所述阴极的隧穿电流；
在施加待测磁场的状态下检测所述霍尔电极对之间的霍尔电压差；根据所述霍尔电压差以及所述霍尔电极对之间的间隔距离，确定出所述待测磁场的磁场信息。
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CN 112540329 A
说 明 书
一种霍尔传感器及其制备和测试方法
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技术领域
[0001]本发明属于传感器领域，尤其涉及一种霍尔传感器及其制备和测试方法。背景技术
[0002]霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。1879年霍尔在研究金属的导电机构时发现霍尔效应。经过不断地研究发现，半导体、导电流体等也有这种效应，并且半导体的霍尔效应比金属强得多。利用霍尔效应制成的各种霍尔传感器被广泛地应用于移动通讯、工业自动化技术、信息处理及检测技术等方面。[0003]霍尔传感器的参数包含性能指标和可靠性指标两大类。高性能、高可靠性的霍尔传感器的制备材料和工艺需要具备以下条件：高迁移率、薄、低载流子浓度、较弱的磁阻效应、较弱的温度依赖性以及高度均一的材料特性和成熟完备的器件制备工艺。从20世纪40年代开始，随着半导体技术的蓬勃发展，低载流子浓度、高迁移率的III‑V族半导体材料逐渐成为霍尔元件的主流制备材料。然而，采用半导体材料制成的霍尔传感器在工作时，载流子的移动过程会存在散射。散射不仅会使得器件的工作效率降低，还会产生一定的热量，使得功耗增加。
发明内容
[0004]鉴于上述问题，本发明实施例提出了一种霍尔传感器及其制备和测试方法，以提高工作效率和降低功耗。[0005]第一方面，本发明实施例提供一种霍尔传感器，包括：[0006]衬底；[0007]栅极，位于所述衬底上；[0008]栅介质，位于所述栅极上；[0009]霍尔电极对，相对设置于所述栅介质上；[0010]阴极和阳极，相对设置于所述栅介质上，且所述阴极位于所述霍尔电极对一端，所述阳极位于所述霍尔电极对另一端，其中，所述阴极与所述阳极之间的间隔距离不超过100nm和/或将所述霍尔传感器处于真空环境。[0011]可选地，所述衬底的材料具体为SiO2[0012]可选地，所述栅极的材料具体为Ti。[0013]可选地，所述栅介质的材料具体为SiO2或者Al2O3。[0014]可选地，所述霍尔电极对是材料Ti或者Au形成的金属叠层。[0015]可选地，所述阳极的材料为Au，所述阴极的材料为金刚石、石墨烯、硒化锡中的至少一种。
[0016]第二方面，本发明实施例提供一种霍尔传感器的制备方法，包括：[0017]在衬底上形成栅极；
[0018]在所述栅极上形成栅介质；
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说 明 书
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在所述栅介质上形成相对的霍尔电极对；
[0020]在所述栅极上靠近所述霍尔电极对一端的位置形成阳极；[0021]在所述栅极上靠近所述霍尔电极对另一端的位置，形成与所述阳极位置相对的阴极，其中，所述阴极与所述阳极之间的间隔距离不超过100nm和/或所述霍尔传感器处于真空环境。
[0022]可选地，形成所述衬底的材料具体为SiO2；形成所述栅极的材料具体为Ti；形成所述栅介质的材料具体为SiO2或者Al2O3；形成所述霍尔电极对是材料Ti或者Au形成的金属叠层。
[0023]可选地，形成所述阳极的材料为Au，所述阴极的材料为金刚石、石墨烯、硒化锡中的至少一种。
[0024]第三方面，本发明实施例提供一种应用第一方面所述霍尔传感器测试磁场的方法，包括：
[0025]通过对所述霍尔传感器的栅极施加正电压，开启所述阴极和所述阳极之间的隧穿通道；
[0026]通过对所述阳极施加正电压，以及对所述阴极施加负电压，形成所述阳极至所述阴极的隧穿电流；
[0027]在施加待测磁场的状态下检测所述霍尔电极对之间的霍尔电压差；[0028]根据所述霍尔电压差以及所述霍尔电极对之间的间隔距离，确定出所述待测磁场的磁场信息。
[0029]本发明实施例提供的一个或者多个技术方案，至少实现了如下技术效果或者优点：
[0030]本发明实施例的霍尔传感器，由于阴极与阳极之间的间隔距离不超过100nm和/或霍尔传感器处于真空环境，因此阴阳两极间隔较小或者霍尔传感器处于真空中时，均能使阴极的电子将无散射的弹道输运到阳极，从而缓解现有技术中霍尔传感器由于载流子散射导致工作效率低，功耗高的问题，进而提高了霍尔传感器的工作效率，且降低了功耗。附图说明
[0031]当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以最佳地理解本发明的各个方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚地讨论，各个部件的尺寸可以任意地增加或减少：
[0032]图1示出了本发明实施例中霍尔传感器的结构示意图；[0033]图2示出了本发明实施例中霍尔传感器的制备方法流程图；[0034]图3‑图7示出了本发明实施例中霍尔传感器的工艺流程；
[0035]图8示出了本发明实施例中应用本发明实施中霍尔传感器测试磁场的方法流程图；
[0036]图9示出了本发明实施例中霍尔传感器的栅极施加正电压，能带状态转变示意图；[0037]图10示出了电子无散射的弹道输运到阳极的示意图；
[0038]图11示出了阴极发射出的电子在霍尔效应的作用下发生偏离的示意图。[0039]在附图中：1‑衬底；2‑栅极；3‑栅介质；4‑阴极；5‑霍尔电极；6‑阳极。
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说 明 书
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具体实施方式
[0040]下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。[0041]第一方面，本发明实施例提供了一种霍尔传感器，参考图1所示，本发明实施例提供的霍尔传感器包括：衬底1；栅极2，形成于衬底1上；栅介质3，形成于栅极2上；霍尔电极对5，相对设置于栅介质3上；阴极4和阳极6，相对设置于栅介质3上，且阴极4位于栅介质3上靠近霍尔电极对5一端的位置，阳极6位于栅介质3上靠近霍尔电极对5另一端的位置，阴极4与阳极6之间的间隔距离不超过100nm和/或霍尔传感器处于真空环境。[0042]在本发明实施例中，通过栅极2控制阴极4载流子隧穿时的能量势垒宽度和隧穿概率，阴极4用于发射电子；霍尔电极对5，用于吸收由霍尔效应发生偏转的电子，形成霍尔电势差；阳极6吸收从阴极4散发出来的电子，作为电子游离的终点。[0043]具体的，本发明实施例提供的霍尔传感器工作在真空环境或者非真空环境，其中，为了让电子能够无散射的弹道输运到阳极6，本发明实施例提供的霍尔传感器处于非真空环境，则限定阴极4与阳极6之间的间隔距离不超过100nm。由于阴阳两极间隔较小，电子将无散射的弹道输运到阳极6。在具体实施时，可以根据器件尺寸等实际情况，在不超过100nm范围内选择阴极4与阳极6之间的间隔距离。[0044]为了让霍尔传感器工作在真空环境，霍尔传感器的结构还包括密封壳体和设置于密封壳体内的霍尔传感器本体，对霍尔传感器的密封壳体内抽真空，能够使霍尔传感器工作在真空环境下，从而就不存在载流子散射，让电子能够无散射的弹道输运到阳极6，且霍尔传感器工作在真空环境下，能够使霍尔传感器耐极端温度和辐射能力提升。
[0045]下面对本发明实施例的霍尔传感器中衬底1的材料具体为SiO(二氧化硅)等绝缘2材料，不需要采用单晶硅工艺，降低了制造成本。栅极2的材料具体为Ti(钛)；栅介质3的材料具体为SiO2或者Al2O3(氧化铝)。霍尔电极对5是材料Ti或者Au(金)形成的金属叠层；阳极6的材料为Au，阴极4的材料为金刚石、石墨烯、硒化锡中的至少一种。[0046]具体的，第霍尔电极对5包括位置相对的第一霍尔电极与第二霍尔电极，具体的，一霍尔电极和第二霍尔电极可以为条形电极，且第一霍尔电极平行于第二霍尔电极。[0047]具体的，如图1所示的，栅介质3具体为矩形区域块，第一霍尔电极和第二霍尔电极设置于矩形区域块上对着的两个边缘区域，阳极6和阴极4设置矩形区域块上另一对着的两个边缘区域，从而阳极6、阴极4和两个霍尔电极对应分布在栅介质上四个不同的方位，使得两个霍尔电极能够接收到霍尔效应作用而偏离的电子。[0048]参考图1所示，在一可选的实施方式下，阳极6靠近阴极4的一端小于远离阴极4的一端，阴极4靠近阳极6的一端小于远离阳极6的一端，以实现电子的更好收集。比如，阴极4
阳极6也包含形部和梯形部，与阳极6可以为互为轴对称，其中，阴极4包含条形部和梯形部，
阴极4的梯形部正对且靠近阳极6的梯形部，从而利于在霍尔传感器开启时阴极4的电子隧穿到阳极6。
[0049]本发明实施例提供的霍尔传感器以霍尔效应为工作基础，可以在各种与磁场相关的场合使用，用于监测磁场及其变化。
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说 明 书
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第二方面，基于同一发明构思，本发明实施例提供一种霍尔传感器的制备方法，用
于制备得到第一方面的霍尔传感器。参考图2所示，本发明实施例提供的制备方法包括如下步骤：
[0051]S201、在提供的衬底1上形成栅极2。[0052]具体的，采用磁控溅射或者电子束蒸发等物理气相沉积方式在衬底1上淀积栅极材料，以形成栅极2。如图3所示，在衬底1上涂敷光刻胶，采用栅极掩模版光刻；采用磁控溅射或者电子束蒸发淀积栅极材料，剥离剩余光刻胶形成栅极2。[0053]S202、在栅极2上形成栅介质3。[0054]具体的，采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相淀积)在栅极2上淀积SiO2或者Al2O3，以形成栅介质3，如图4所示。[0055]S203、在栅介质3上形成相对的霍尔电极对5。[0056]具体的，霍尔电极对5包括第一霍尔电极和第二霍尔电极，第一霍尔电极与第二霍尔电极平行相对且相隔一定间隔距离。在具体实施时，在栅介质3上涂抹光刻胶，采用霍尔电极掩模版光刻，采用磁控溅射或者电子束蒸发淀积霍尔电极材料，剥离剩余光刻胶形成霍尔电极对5，如图5所示。[0057]S204、在栅极2上靠近霍尔电极对5一端的位置处形成阳极6；[0058]具体的，在栅介质3上涂抹光刻胶，采用阳极掩模版光刻，采用磁控溅射或者电子束蒸发淀积阳极材料，剥离剩余光刻胶形成阳极6，如图6所示。[0059]S205、在栅极2上靠近霍尔电极对5另一端的位置处形成与阳极6位置相对的阴极4，其中，阴极4与阳极6之间的间隔距离不超过100nm或者将霍尔传感器置于真空环境。[0060]具体的，在栅介质3上涂抹光刻胶，采用阴极掩模版电子束光刻，采用原子层淀积阴极材料，剥离剩余光刻胶形成阴极4，如图7所示。[0061]在一可选的实施方式下，参考图1所示的，阳极6靠近阴极4的一端小于远离阴极4的一端，阴极4靠近阳极6的一端小于远离阳极6的一端，以实现阳极6更好的收集电子。[0062]第三方面，基于同一发明构思，本发明实施例提供一种应用第一方面霍尔传感器测试磁场的方法，参考图8所示，该测试磁场的方法包括：[0063]S801、通过对霍尔传感器的栅极2施加正电压，开启阴极4和阳极6之间的隧穿通道。
[0064]具体的，通过控制对栅极2施加正电压的电压大小，以控制从阴极4隧穿到阳极6的电子的隧穿势垒宽度和隧穿几率，对霍尔传感器的性能进行调制，起到对霍尔传感器的器件开启作用。如图9所示，在对栅极2施加正电压后，沟道处的能带将从图9的①状态转变为图9的②状态，使得更多电子可以从阴极4隧穿到阳极6。[0065]S802、通过对阳极6施加正电压，以及对阴极4施加负电压，形成阴极4隧到阳极6的遂穿电流。
[0066]具体的，参考图10所示，对阴极4施加负电压使得被束缚在阴极4的电子吸收足够的能量，以量子隧穿方式从阴极4注入，形成遂穿电流。需要说明的是，遂穿电流(I)与电子速度(v)相关，表示为：I＝f(v)。且遂穿电流与外加电压之间满足如下关系：
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说 明 书
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其中，a，b为与霍尔传感器的尺寸、材料相关的常数。因此，根据对阴阳两极施加的
外加电压可以确定出遂穿电流的大小。再根据遂穿电流得到电子速度(v)＝f‑1(I)[0069]S803、在待测磁场下检测霍尔传感器的霍尔电极对5之间的电压差。[0070]具体的，如图11所示，由于待测磁场的存在，阴极4发射出的电子在霍尔效应的作用下发生偏离，继而被霍尔电极对5所吸收。霍尔电极对5在吸收电子达到平衡后，形成稳定的霍尔电极对5之间的霍尔电压差。[0071]S804、根据霍尔电压差以及霍尔电极对5之间的间隔距离，确定出待测磁场的磁场信息。
[0072]具体的，磁场信息包括表征磁感应强弱和方向的磁感应强度，磁感应强度霍尔电极对5之间的间隔距离以及霍尔电压差，这三者满足如下线性关系：
[0073]
其中，B为磁感应强度，W为霍尔电极对5之间的间隔距离，v为电子速度：v＝f‑1(I)，VH为霍尔电极对5的霍尔电压差。根据磁感应强度B可以得到待测磁场的强度和方向。[0075]可以看出，通过本发明实施例提供的霍尔传感器，能够对磁场的强度和方向进行测试。
[0076]尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。[0077]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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