ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известно, что регистрация магнитного поля положена в основу функционирования разнообразных систем контроля и управления. Чувствительным элементом таких систем является преобразователь, трансформирующий воздействие магнитного поля в электрический сигнал. Известно также, что наиболее распространенные типы преобразователей магнитного поля — датчики Холла [1].
В основу работы датчиков Холла (ДХ) положен названный именем первооткрывателя эффект возникновения поперечной разности потенциалов Uх в полупроводнике, по которому протекает ток при воздействии на него перпендикулярного к направлению тока магнитного поля [2]. Величина Uх прямо пропорциональна холловской подвижности носителей тока. В полупроводниках она на порядки величины больше, нежели в металлах. Поэтому вполне естественно, что бурное развитие полупроводниковой электроники, начавшееся в конце 40-х годов прошлого века с изобретения транзистора, стимулировало как разработку и производство ДХ, так и их широкое применение в различных областях науки и техники.
Развитие микроэлектроники обусловило возможность создания различных конструкций ДХ. Освоение новых базовых технологических процессов последовательно расширяло номенклатуру ДХ, одновременно в той или иной степени улучшая их электрические характеристики. В наибольшей мере это отразилось на кремниевых ДХ, поскольку именно кремний является основным полупроводниковым материалом современной микроэлектроники. В итоге разработчик аппаратуры теперь может применять не только дискретные кремниевые ДХ различной конструкции, но и аналоговые, и цифровые интегральные схемы, использующие ДХ в качестве чувствительных элементов.
Возникшая в последние годы и быстро развивающаяся технология КНИ обеспечила возможность разработки нового типа преобразователя магнитного поля — полевого датчика Холла (ПДХ) и интегральных схем (ИС) на его основе [3, 4].
ТЕХНОЛОГИЯ КНИ
В КНИ технологии, в отличии от традиционной микроэлектроники, не используют монолитные пластины кремния. Стартовым материалом в этом случае являются структуры КНИ, т. е. пластины кремния, в которых скрытый в их объеме диэлектрический слой отделяет от подложки тонкий слой кремния. В качестве скрытого диэлектрика используют, как правило, слои диоксида или оксинитрида кремния [5]. При этом в КНИ структурах, используемых для изготовления микроэлектронных приборов, характерные значения толщин отделенного слоя кремния, в котором формируются рабочие элементы приборов; и скрытого диэлектрического слоя составляют 0,05...0,2 и 0,2...0,4 мкм, соответственно.
Вообще говоря, идея КНИ технологии'бьша высказана еще при создании первого транзистора. Но успешно удалось ее реализовать только в 70-х годах прошлого века, используя эпитаксиальные пленки кремния, выращенные на сапфире. Что же касается упомянутых КНИ-структур, то их успешное применение в разработке и производстве приборов дело, главным образом, последнего десятилетия.
Столь устойчивый интерес к КНИ технологии был обусловлен, прежде всего, стремлением повысить радиационную стойкость микроэлектронных приборов. Устойчивость к воздействию радиации -одна из важнейших характеристик надежности полупроводниковых приборов. Известно, что ионизирующая радиация генерирует в облучаемых кристаллах избыточные электроны и дырки. При больших интенсивностях воздействия радиационно-индуцированный ток может существенно затруднить и даже полностью нарушить нормальное функционирование прибора. Если же элементы прибора разместить в слое кремния КНИ-структуры, количество радиационно-индуцированных носителей сравнительно с таким же прибором, изготовленным в объеме кристалла кремния, будет во столько же раз меньше, во сколько толщина слоя кремния d меньше диффузионной длины L носителей в объемном кремнии (характерные значения составляют d » 0,1, L » 100 мкм, L/d » 103).
Отметим, что КНИ технология обеспечивает микроэлектронным приборам, кроме отмеченного выше достоинства, еще целый ряд других важных преимуществ сравнительно с их аналогами, изготовленными на пластине кремния. КНИ прибор отделен от подложки диэлектрическим слоем. Благодаря этому существенно подавляются паразитные токи в подложку, возникающие при повышении температуры в процессе эксплуатации прибора. Как следствие, рабочая температура КНИ приборов на 100...150 "С выше, чем у кремниевых аналогов. Малая толщина отсеченного слоя кремния обеспечивает резкое уменьшение емкостей р-n-переходов КНИ приборов. Результатом этого является существенное повышения их быстродействия. И, наконец, уменьшение емкости р-n-переходов и уменьшение токов утечки вглубь подложки, наряду с больше крутизной передаточной характеристики в подпороговой области ВАХ, позволяет заметно понизить напряжение питания КНИ ИС.
Яркая иллюстрация упомянутых достоинств КНИ технологии -осуществление рядом ведущих зарубежных фирм разработки и производства микропроцессоров гигагерцового диапазона и сверхбольших ИС памяти емкостью 64 Мбайт.
Вполне естественно, что отмеченные возможности КНИ технологии привлекли внимание и разработчиков чувствительных элементов датчиков. Так фирма "Honewell", (США), разработала и освоила производство КНИ датчиков давления, характеризующихся повышенной рабочей температурой (до 225 °С) [б].
В работе [7] сообщалось, что КНИ полевой МОП транзистор с расщепленным стоком может быть использован как высокотемпературный (до 300 °С) преобразователь магнитного поля.
Между тем, возможности повышения характеристик преобразователей магнитного поля благодаря использованию КНИ технологии гораздо шире, чем повышение рабочей температуры. Проиллюстрируем это на примере КНИ ПДХ, сочетающего возможности традиционных ДХ и МОП транзисторов.
Конструкция КНИ ПДХ
КНИ ПДХ изготовляется на основе структур КНИ, т. е. структур, в которых рабочий слой кремния отделен от подложки встроенным диэлектрическим слоем. В кремнии n-типа был сформирован слой скрытого окисла толщиной 0,4 мкм путем имплантации ионов кислорода и последующего отжига. Отсекаемый им слой приборного кремния имел толщину 0,2 мкм. В нем был сформирован холловский крест из Si полосок длиной 80 и шириной 30 мкм. Для получения омических контактов, прилегающие к концам полосок участки длиной 10 мкм были легированы фосфором до уровня 1020 см-3. На поверхность креста была нанесена пленка пиролитического Si02 толщиной 100 нм, поверх которой был осажден А1 (верхний затвор). Нижним затвором служила сама подложка с осажденной на ее поверхности пленкой А1. Схематически конструкция КНИ ПДХ приведена на рис. 1.
а б
Из рис.1 видно, что КНИ ПДХ принципиально отличается от обычных ДХ. Последние являются типичными полупроводниковыми резисторами, и их выходной сигнал, индуцируемый магнитным полем, прямо пропорционален величине тока. В отличие от этого ПДХ представляет собой сочетание резистора Холла с вертикальным двухзатворным полевым транзистором типа металл — диэлектрик — полупроводник.
В результате ПДХ:
• позволяет усиливать электрические и магнитоиндуцированные сигналы;
• может работать как нормально открытый или нормально закрытый транзистор.
Основные характеристики КНИ ПДХ
Как известно [ 4 ], к основным параметрам ДХ относятся:
• пороговая магнитная чувствительность;
• динамический диапазон магнитной чувствительности;
• энергопотребление;
• удельная магнитная чувствительность;
• диапазон рабочих температур;
• отношение сигнал/шум.
Применение КНИ технологии позволило достичь столь существенного прогресса в улучшении всего комплекса названных параметров ДХ, что по совокупности характеристик рассматриваемый КНИ ПДХ превосходит все известные полупроводниковые ДХ. Рассмотрим основные характеристики КНИ ПДХ в электрически открытом режиме работы (канал датчика открыт).
Пороговая магнитная чувствительность. Пороговая магнитная чувствительность обратно пропорциональна толщине тела магниточувствительного элемента. Толщина проводящего кремниевого канала рассматриваемого КНИ ПДХ составляет 0,2 мкм, что в десятки раз меньше толщины рабочего тела магниточувствительного элемента, выполненного по традиционной кремниевой технологии. Этим и обусловлено резкое увеличение (в десятки раз) пороговой магнитной чувствительности КНИ ПДХ сравнительно с традиционными кремниевыми ДХ.
Динамический диапазон магнитной чувствительности. Увеличение пороговой магнитной чувствительности автоматически приводит к расширению динамического диапазона магнитной чувствительности.
При этом следует отметить, что магнитная чувствительность КНИ ПДХ линейно зависит от напряженности магнитного поля во всем динамическом диапазон. Сказанное иллюстрируется рис.2, на котором представлена зависимость ЭДС Холла — выходной характеристики Vх КНИ ПДХ как функция величины напряженности магнитного поля.
В, Тл
Рис.2. Зависимость выходной характеристики КНИ ПДХ от напряженности внешнего магнитного поля
Энергопотребление. Разница толщин рабочих тел КНИ ПДХ и традиционных кремниевых ДХ приводит к тому, что сопротивление слоя кремния КНИ ПДХ гораздо больше, чем. традиционного кремниевого ДХ. Следовательно, согласно закону Ома при равных напряжениях питания рабочий ток КНИ ПДХ существенно меньше, чем его традиционный аналог. Рабочий ток КНИ ПДХ при рекомендуемых величинах напряжений питания и затворного смещения при полностью открытом канале КНИ ПДХ составляет величину -0,1...0,4 мА.
Удельная магнитная чувствительность. Высокая пороговая магнитная чувствительность и малые значения величины потребляемого тока определяют гораздо более высокую удельную магнитную чувствительность, которая по определению является отношением величины выходного сигнала ДХ к значениям магнитной индукции и тока через его канал.
Диапазон рабочих температур. Верхний предел рабочей температуры кремниевых ДХ определяется токами утечки эпитаксиального р- п -перехода, отделяющего тело магниточувствительного элемента от подложки. С увеличением температуры ток утечки быстро возрастает и рабочая температура традиционных кремниевых ДХ не превышает величин 100...120 °С. В КНИ ПДХ тело чувствительного элемента отделено от подложки диэлектриком, уменьшающим токи утечки вглубь подложки на несколько порядков величины. Это и есть причина значительного увеличения рабочей температуры КНИ ПДХ сравнительно с традиционными кремниевыми ДХ. На рис. 3 представлена экспериментальная зависимость холловской выходной характеристики КНИ ПДХ от температуры, измеренная непосредственно на чипе ПДХ в диапазоне температур, характерном для микроэлектронных элементов. В реальных ПДХ приборах верхний предел рабочей температуры определяется типом корпуса.
Рис. 3. Температурная зависимость ЭДС Холла КНИ ПДХ
Из рис. 3 видно, что с ростом температуры ЭДС Холла КНИ ПДХ уменьшается. Однако, учитывая высокую пороговую чувствительность, это не должно быть сколько-нибудь существенным препятствием для применения КНИ ПДХ в высокотемпературных микроэлектронных устройствах.
Отношение сигнал/шум. Некоторые характеристики ДХ, в частности, отношение сигнал/шум, можно улучшить, если использовать модуляционный режим измерений. В традиционных ДХ такой режим можно реализовать, если с помощью электронных ключей промодулировать ток, протекающий через датчик, и включить в измерительную цепь демодулятор. Однако использование электронных ключей вызывает появление трудноустранимых коммутационных помех. В отличие от этого в КНИ ПДХ режим модуляции можно обеспечить, приложив к затворам переменное напряжение.
Табл. 1 иллюстрирует зависимость уровня шумов КНИ ПДХ от частоты модуляции напряжения на верхнем затворе, измеренную по способу синхронного детектирования. Именно такая, вытекающая из особенностей конструкции ПДХ, схемная возможность улучшить отношение сигнал/шум во многом определяет очень высокую пороговую чувствительность этих приборов. Основными достоинствами работы КНИ ПДХ в режиме модуляции по сравнению с обычными ДХ являются:
· питание датчика постоянным током;
· отсутствие "ключей" и, соответственно, коммутационных помех;
· реализация максимальной пороговой чувствительности путем повышения отношения сигнал/шум
Таблица 1.
Уровень шумов КНИ ПДХ при различных частотах модуляции при ширине полосы пропускания 1 Гц.
Частота модуляции, Гц |
Уровень шумов, мкВ/Гц1/2 |
1 |
30 |
10 |
10 |
100 |
3…4 |
1000 |
1…1,2 |
5000 |
0,25….0,3 |
10000 |
01,3…0,18 |
100000 |
0,01…0,013 |
Новые возможности управления характеристиками ПДХ.
В КНИ ПДХ благодаря наличию вертикальной двухзатворной управляющей системы существует возможность полевого управления величинами его основных параметров, что недостижимо для традиционных датчиков Холла. При этом в КНИ ПДХ возможно осуществление как напорогового режима работы (величина напряжения, поданного на электроды управления, больше порогового напряжение), так и подпорогового. Рассмотрим возможности управления основными параметрами ПДХ в напороговом режиме ВАХ.
Полевое управление выходным сигналом ПДХ. В КНИ ПДХ благодаря наличию вертикальной двухзатворной управляющей системы существует возможность управления величиной магнитной чувствительности выбором оптимальной величины затворного смещения. Сказанное проиллюстрировано на рис. 4, на котором представлена зависимость выходной величины КНИ ПДХ (ЭДС Холла) от величины затворного смещения.
|
Рис. 4. Зависимость выходной характеристики КНИ ПДХ VХ от затворного смещения
Регулировка температурного коэффициента чувствительности. Температурная устойчивость КНИ ПДХ может быть повышена путем выбора необходимого напряжения смещения на управляющих затворах. Сказанное иллюстрируется рис.5 на котором приведена экспериментальная кривая, характеризующая изменение К — коэффициента температурной зависимости ЭДС Холла (Vх) от величины напряжения на управляющих затворах.
Рис.5 Коэффициент температурной зависимости тока канала КНИ ПДХ как функция затворного смещения
Управление величиной остаточного напряжения КНИ ПДХ. Одной из важнейших характеристик ДХ является величина остаточного напряжения, т. е. величина напряжения на Холловских электродах в отсутствии магнитного поля. В традиционных полупроводниковых ДХ эта величина определяется технологией изготовления датчика. В случае КНИ ПДХ существует возможность изменения значения этой величины путем изменения величины затворного смещения. На рис.6 представлена типичная зависимость остаточного напряжения от величины затворного смещения.
Рис.6. Зависимость остаточного напряжения на Холловских электродах КНИ ПДХ от напряжения на затворе
Особенности поведения характеристик ПДХ в подпороговой области ВАХ.
а
Наличие в конструкции КНИ ПДХ двухзатворной управляющей системы
позволяет реализовать новый, недоступный для традиционных ДХ, режим
эксплуатации, который получил название подпорогового режима. Обнаружено, что
малые изменения потенциалов затворов вблизи точки открытия канала ПДХ
сопровождаются появлением пика ЭДС Холла, причем величина холловского сигнала в
этом случае заметно больше, чем ЭДС Холла, при открытом канале в надпороговой
области, несмотря на то, что величина тока через ПДХ в области пика во много
раз меньше тока через открытый канал. При этом как амплитуда холловского пика,
так и область величин затворного смещения, при которых этот пик наблюдается,
зависят от величины напряжения питания ПДХ (рис.7)
б |
Рис.7 Холловские (а) и соответствующие им сток-затворные (б) характеристики КНИ ПДХ при различных значения напряжения питания
Электрическая схема включения электродов КНИ ПДХ при реализации подпорогового режима работы приведена на рис.8, из которого видно, что к контакту (первый электрод питания) прилагается напряжение отрицательной полярности относительно "заземленного" контакта (второй электрод питания). Величина и полярность затворного напряжения, также определяются относительно заземленного контакта. При этом следует обратить особое внимание на то, что Холловские электроды КНИ ПДХ через балластные резисторы R также подсоединены к общей заземленной точке.
Рис. 8.Схема включения электродов КНИ ПДХ при измерении его характеристик в подпороговой области ВАХ
Рис.9.показывает, что амплитуда максимума ЭДС Холла КНИ ПДХ в подпороговой области ВАХ является также функцией сопротивлений балластных резисторов.
Рис. 9. Зависимость величины максимальной ЭДС Холла КНИ ПДХ, как функция величин балластных сопротивлений на холловских электродах
В таблице 2. приведены данные по значениям величин ЭДС Холла, магниточувствительности, удельной токовой чувствительности ПДХ как в подпороговом режиме ВАХ, так и в режиме полностью открытого канала.
Таблица 2.
Сравнение значений параметров КНИ ПДХ, измеренных в подпороговой области ВАХ и в режиме полностью открытого канала
Режим измерений |
Vx, мВ |
Магниточувствительсность, В/Тл |
Удельная магниточувствительность, В/А*Тл |
Подпороговый |
62 |
1,05 |
45000 |
Полностью открытый канал |
36 |
0,6 |
1000 |
Из таблицы 2. видно, что в подпороговом режиме ВАХ ПДХ обладает рекордной магниточувствительностью, что недоступно его традиционным аналогам.
Таким образом, при эксплуатации ПДХ в подпороговом режиме ВАХ появляется возможность резкого уменьшения величины энергопотребления (малые по сравнению с традиционным режимом работы значения рабочего тока) при одновременном рекордном увеличении магниточувствительности.
Основные параметры КНИ ПДХ
Типичные значения параметров ПДХ приведены в таблице 3.
Некоторые характеристики КНИ ПДХ, в частности диапазон рабочих температур, существенным образом определяются присущим им типом корпуса ПДХ.
Таблица 3.
Размеры кристалла, мм |
От 0,5 х 0,5 до 1,2 х 1,2 |
Магниточувствительная зона, мм |
От 0,03 х 0,03 до 0,5 х 0,5 |
Режим работы |
Постоянный ток, переменный ток, импульсный |
Напряжение питания, В |
3–12 |
Рабочий ток, мА |
0,1–0,4 а) |
Магнитная чувствительность, В/Тл |
0,3–1,2 а) б) |
Удельная магнитная чувствительность, В/А*Тл |
1000–10000 а) б) |
Порог чувствительности, нТл |
40–100 г) |
Диапазон частот, кГц |
0–200 |
Диапазон температур, ºС |
-270–300 в) |
Температурный коэффициент магнитной чувствительности, %/ºС |
-0,1 – -0,4 а) |
а —зависит от потенциала затворов;
б — зависит от размеров чувствительной зоны;
в — зависит от типа корпуса;
г – зависит от электрической схемы формирования выходного сигнала
Возможные варианты схемного включения электродов ПДХ
В КНИ ПДХ благодаря наличию вертикальной двухзатворной управляющей системы существует большое разнообразие схем включения электродов в процессе эксплуатации. Некоторые из них иллюстрируются рис.10 холловские электроды, соответствующие рис.1., не показаны. Все напряжения на схемах отсчитываются относительно общей точки двухполюсного источника питания (обозначена на схеме символом "земля"). Представленные выше электрические характеристики КНИ ПДХ, получены на основе измерений по третьей схеме включения электродов ПДХ.
Рис.10 Варианты включения электродов ПДХ по трем схемам
Сопоставление характеристик ПДХ и кремниевых ДХ
Рис.11. Сопоставление основных характеристик КНИ ПДХ и традиционных кремниевых ДХ.
Существенно, что ПДХ является, по сути дела, кремниевым прибором, технология изготовления которого основана на стандартных процессах современной микроэлектроники. Поэтому интеграция ПДХ в магнитные ИС не представляет технических трудностей. В качестве демонстрации таких возможностей была разработана магнитоуправляемая цифровая ИС, включавшая ПДХ, дифференциальный усилитель, триггер Шмидта, стабилизатор напряжения и выходной каскад. По сравнению с кремниевым аналогом (магнитоуправляемая ИС типа КП1116КП4) ПДХ ИС характеризовалась повышением магниточувствительности (индукция срабатывания 10 мТл и 25 мТл соответственно) и боле чем двух кратным уменьшением тока потребления в режиме ожидания магнитного сигнала (3 мА и 7,5 мА соответственно) [8].
Микроэлектронная технология также обеспечивает возможность формирования многоэлементных ПДХ и ИС на их основе. Это было продемонстрировано на примере создания пилотных образцов линейных и матричных ПМП, содержавших 2,4 и 64 магниточувствительных элементов типа ПДХ.
В следующем разделе будет показано, что нелинейность затворных характеристик ПДХ может быть использована для организации схем регулировки усиления и, таким образом, для управления динамическим диапазоном.
Совокупность представленных данных позволяет утверждать, что ПДХ обеспечивает возможность разработок нового поколения сенсорной аппаратуры. Конструкция ПДХ и ИС на его основе защищены патентами РФ, США, европатентом и патентом республики Корея [9].
ЛИТЕРАТУРА
1. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. М.: ДМК Пресс, 2001. 544с.
2. Hall E.H. On the new action of magnetism on a permanent electric current // Phil. Mag., 1880. Vol. 10, P. 301.
3. Пат. РФ 2130668. Полевой МОП транзистор.
4. Пат. РФ 2072590, пат. США 5724080. Магниточувствительная логическая ячейка.
5. Мордкович В.Н. Структуры "кремний на изоляторе" - новый материал микроэлектроники // Материалы электронной техники. 1998. № 2.
6. Colinge C.A. "SOI harsh environment applications in the USA" in Progress SOI structures and devices operating at extreme conditions. Kluwer Acad. Publ. 93-104.
7. Flandre D. SOI CMOS Technology for High-Temperature Microsystems // MST news. 1998. № 2.
8. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Т. 1, 2. М.: Мир, 1984.
9. Мокрушин А.Д., Омельяновская Н.М., Леонов А.В., Мордкович В.Н., Пажин Д.М. Радиационные эффекты в КНИ магниточувствительных элементах при различных условиях облучения. ВАНТ. Вып. 1-2, М.,2001.