Brevet FR2412949A1 — publié le 19790720

La présente invention a pour objet des dispositifs semi-conducteurs destinés à capter un champ magnétique, notamment un champ magnétique d'amplitude très faible, continu ou alternatif, modulé ou non. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des capteurs et des dispositifs électroniques de détection, de mesure et de contrôle des champs magnétiques. On connaît déjà différentes sortes de capteurs de champ magnétique. Une première catégorie est celle des capteurs utilisant les variations de courant produites par induction dans des solenoides. Il s'agit de capteurs volumineux à bande de fréquence étroite. Une seconde catégorie est celle des capteurs utilisant des semiconducteurs qui sont des capteurs très peu encombrants, pouvant déceler des champs magnétiques alternatifs dont les fréquences peuvent être très grandes et atteindre 10 MFiz. D'autre part, les capteurs semi-conducteurs permettent de travailler sur des signaux ou des variations de signal très faibles en les associant à des dispositifs électroniques qui permettent d'amplifier les signaux, de les corriger et de les traiter avant utilisation. Les capteurs de champ magnétique utilisant les effets magnétiques dans les semi-conducteurs peuvent être rangés en plusieurs catégories. Une première catégorie de capteurs semi-conducteurs utilise les effets galvanomagnétiques dus au champ magnétique à savoir, l'effet Hall et les effets de magnéto-résistance. Une deuxième catégorie de capteurs à semi-conducteurs utilise les effets de filamentation de courant. Une troisième catégorie de capteurs à semi-conducteurs utilise les effets de magnétoconcentration des porteurs n ou p sur les faces d'une couche semi-conductrice appelée magnétodiode. tes dispositifs selon l'invention appartiennent à cette troisième catégorie. L'objectif de la présente invention est de perfectionner les magnétodiodes connues afin d'augmenter leur sensibilité exprimée en volts ou mV par gauss en amplifiant l'effet de magnétoconcentration et en associant à celles-ci ai dispositif de détection très sensible aux variations de concen traction, lequel dispositif permet d'obtenir de très fortes variations de tension pour de faibles variations d'intensité d'un champ magnétique très faible de telle sorte que la détection perturbe le moins possible la magnétoconcentration. Cet objectif est atteint au moyen d'un dispositif pour capter un champ magnétique composé, en combinaison, d'une part, d'une magnétodiode, qui est placée dans ledit champ, qui produit une concentration différentielle des porteurs de charges sur deux faces de ladite magnétodiode opposées et parallèles audit champ et, d'autre part, d'une diode Schottky qui est disposée au contact de l'une desdites faces et qui est polarisée en inverse, laquelle diode Schottky délivre une tension qui est fonction des variations de concentration en porteurs de ladite face. Selon un mode de réalisation, la magnétodiode est composée d'une jonction comportant une plaquette semi-conductrice qui est polarisée en direct par une tension électrique constante donnant naissance à un champ électrique, et qui est placée dans un champ magnétique perpendiculaire audit champ électrique et la diode Schottky est composée d'une métallisation de très faible surface qui est appliquée sur une des faces de ladite plaquette qui est parallèle aux champs électrique et magnétique. De préférence, la magnétodiode comporte des moyens pour différencier la recombinaison des porteurs sur les deux faces opposées qui sont parallèles aux champs électrique et magnétique, de telle sorte que la face sur laquelle est appliquée la diode Schottky soit moins recombinante que l'autre. Les moyens utilisés pour différencier la recombinaison des porteurs consistent en deux matériaux placés au contact des deux faces opposées de la plaquette et la nature de ces matériaux est choisie en fonction de la nature de ladite plaquette pour constituer une interface fortement recombinante avec la face de la plaquette opposée à ladite diode Schottky et pour constituer une interface faiblement recombinante avec la face de la plaquette portant la diode Schottky. Selon un mode de réalisation préférentiel, un dispositif selon l'invention est un dispositif intégré dans lequel la magnétodiode est composée d'une couche mince de silicium ayant deux faces et deux bords opposés, laquelle couche est déposée sur un substrat monocristallin d'alumine par l'une des deux faces et est recouverte d'une couche très mince d'oxyde de silicium sur la face opposée et ladite couche comporte, le long de l'un au moins des deux bords opposés, une-bande dopée en imptiretés qui constitue un contact fortement injectant en porteurs de polarité P+ ou N La diode Schottky est constituée par une métallisation de très faible surface qui est déposée sur une plage très mince de ladite couche d'oxyde de silicium. De préférence, la couche mince comporte, le long de chacun des deux bords opposés une bande dopée constituant un contact fortement injectant l'un en porteur P et l'autre en porteurs N La présente invention a pour résultat un nouveau produit qui constitue un capteur électronique de champ magnétique qui délivre une tension qui est liée à l'intensité du champ magnétique dans lequel il est plongé. Les capteurs selon l'invention permettent de mesurer l'intensité de la composante du champ magnétique dans une direction bien déterminée qui est la direction perpendiculaire au champ électrique, c'est-à-dire à la ligne reliant les deux électrodes de polarisation de la magnétodiode et parallèle aux faces de la magnétodiode. Les capteurs selon l'invention ont un volume très faible ce qui permet de les fabriquer sous forme de circuits intégrés et de les intégrer dans des dispositifs plus complexes comportant d'autres fonctions, Plusieurs dispositifs identiques peuvent être assemblés magnétiquement et/ou électriquement de manière à obtenir des montages totalisateurs ou différentiateurs, soit en série, soit en parallèle, soit les deux. Un avantage important d'un dispositif selon l'invention est sa très forte sensibilité aux variations de l'intensité du champ magnétique qui est au minimum de l'ordre de 20 à 50 mv/gauss. De plus, l'utilisation d'une diode Schottky en inverse pour détecter la magnétoconcentration permet d'utiliser un courant inverse de l'ordre d'une centaine de microampères seulement au lieu d'un courant de l'ordre d'une centaine de milliampères dans les magnétodiodes connues. L'intégration du dispositif permet d'obtenir des capteurs de très faible encombrement qui peuvent être placés dans un entrefer de circuit magnétique très mince, de l'ordre d'une centaine de microns. On peut donc les associer à un concentrateur de flux magnétique, composé par exemple de ferrite à grande perméabilité p = 130 ayant une forme convergente vers l'entrefer, de telle sorte que l'on peut obtenir 5 un amplificateur magnétique ayant un gain de l'ordre de 105. L'intégration du dispositif permet d'amplifier la magnétoconcen tration en contrôlant les vitesses de recombinaison des porteurs, de telle sorte que les vitesses soient différentes sur les deux faces opposées de la magnétodiode. Cela permet d'obtenir une sensibilité accrue au voisinage d'une induction magnétique B = O et supprime donc la nécessité de polariser magnétiquement le capteur. t' intégration du dispositif permet une bonne reproductibilité dans les fabrications et une excellente fiabilité. Un avantage important des dispositifs selon l'invention réside dans le fait que la diode Schottky en inverse, dans le cas d'un circuit intégré, peut avoir une très faible surface,inférieure à 30 p2. Dans ce cas, 1 intensité du courant inverse de diode est très faible donc le bruit dû aux variations de courant de polarisation est très faible en valeur absolue. Or c'est cette valeur absolue qui intervient dans le rapport signal sur bruit. Les capteurs selon l'invention peuvent trouver des applications dans de nombreux appareils de mesure de champ, de lecture de bandes magnétiques, de prospection magnétique, de détection d'ondes électromagnétiques etc...., cette énumération n'étant pas limitative. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention. La figure 1 est une représentation schématique d'une magnétodiode. La figure 2 est une vue en perspective schématique d'un dispositif selon l'invention. La figure 3 est une vue en coupe et perspective d'un mode de réalisation particulier d'un dispositif selon l'invention, La figure 4 est un graphique qui représente les courbes caractéristiques V = f(I) d'un capteur selon l'invention. La figure I représente une magnétodiode connue. On rappelle ci-après la composition et le principe ded@ ded@ fonctionnement d'une magnétodiode. Une magnétodiode est une diode composée de deux éléments C et D séparés par une j. onction J. Les éléments C et D- sont des couches ou des plaquettes minces d'epaisseur e ayant chacun deux faces opposées Fl et F2 et deux bords opposés. Les deux éléments C et D sont assemblés l'un à l'autre par un de leurs bords, l'autre bord étant libre. On polarise électriquement la diode dans le sens direct par une tension constante V ce qui produit un champ électrique E. Si on applique à cette diode un champ magnétique B perpendiculaire au champ E et parallèle aux faces Fluet F2, tous les porteurs de charges positives C ou -négatives C contenus dans les semi-conducteurs sont déviés vers l'une des faces FI et F2 selon le signe du produit vectoriel En B, par exemple vers la face F1 dans le cas de la figure il apparaît donc un déséquilibre important dans les répartitions des porteurs sur les deux faces FI et F2. Les charges de signe opposé ont tendance à se recombiner entre elles On peut accentuer le déséquilibre en agissant sur le pouvoir de recombinaison des deux faces F1 et F2 de façon à rendre la race Fl moins recombinante que la face F2. Par exemple, on peut agir sur l'état mécanique des surfaces F1 et F2. En effet, une surface très propre et polie recombine très peu de porteurs tandis qu'une surface rugueuse recombine très vite les porteurs. Dans le cas de la figure 1, par exemple, on utilisera une surface F1 très propre, de telle sorte que les porteurs qui sont déviés vers cette surface ne puissent se recombiner facilement entre eux. Au contraire, la surface F2 o sera une surface rugueuse, de telle sorte que les porteurs situés sur cette surface se recombineront. On comprend donc que l'on peut ainsi accentuer l'effet de magnétoconcentration. On expliquera en référence à la figure 3, un autre moyen permettant de différencier la combinaison des porteurs sur les faces Fl et F2. La concentration des porteurs le long d'une face du matériau semiconducteur entraîne une variation des propriétés électriques de celui-ci, notamment de la résistivité et cette propriété a été utilisée pour capter des champs magnétiques en se plaçant en fort régime d'injection et en polarisant la magnétodiode en champ magnétique et en tension continue. On mesure alors l'intensité du courant traversant la magnétodiode ou la résistance dynamique de celle-ci. Les magnétodiodes sont connues et les rappels qui précèdent sont donc suffisants pour permêttre'à un homme de l'art de réaliser l'invention. Les dispositifs selon l'invention diffèrent des dispositifs connus par le -fait que l'on, associe a une magnétodiode une diode Schottky 1. Cette diode1polarisée en inverseodebite un courant dont l'intensité est très faible et dépend très fortement de la densité des porteurs dans l'élément D de la magnétodiode qui fait partie de la diode ~ Schottky. On rappelle brièvement qu'une diode Schottky est une diode métal semi-conducteur qui est réalisée par évaporation ou pulvérisation cathodique d'une électrode en métal (aluminium, or, platine ou chrome) sur un semiconducteur. t'électrode métallique a une surface très faible de l'ordre de 30 p2. La figure 4 représente les courbes caractéristiques d'une diode Schottky polarisée en inverse et la variation de ces courbes caractéristiques en fonction du champ magnétique appliqué à la magnétodiode. En abscisses est représentée la différence de potentiel en volts entre les deux bornes de la diode Schottky et en ordonnées, l'intensité du courant en microampères. Les signes - indiquent que la diode fonctionne en inverse, l'électrode métallique étant portée à un potentiel inférieur à celui de la plage du semi-conducteur située au contact de l'électrode. On a représenté trois courbes caractéristiques correspondant respectivement au cas où le capteur est placé dans un champ magnétique nul B = O dans un champ magnétique positif B = 1000 G ou dans un champ magnétique négatif B = - 1000 G. La droite de charge en pointillés représente le fonctionnement obtenu lorsqu'on utilise la diode en inverse à courant constant, par exemple un courant dont l'intensité est de l'ordre de - 100 #A. On voit que la tension v aux bornes de la diode passe de - 4V à - 30V lorsque le champ magnétique varie de O à - 1000 G, d'où une sensi bilité de l'ordre de 26 mv1gauss, La magnétoconcentration due au champ magnétique permet d'enrichir ou d'appau#vrir en porteurs la plage du semi-condu#cteur D placée au contact de l'électrode et fait varier le courant inverse qui traverse la diode Schottky. Comme ce courant est un courant de saturation, on obtient de très grandes variations de tension pour de faibles variations d'un courant dont la valeur est très faible. La figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation général d'un capteur selon l'invention. Celui-ci est composé, d'une part, d'une magnétodiode formée d'une double diode, c'est-à-dire d'un élément semiconducteur D comportant le long de ses deux bords opposés, deux matériaux C1 et C2 fortement injectants en porteurs de polarité opposée, par exemple le matériau C1 injecte des porteurs positifs ou trous P , tandis que le matériau C2 injecte des porteurs négatifs ou électrons N Cette double diode est polarisée dans le sens direct à tension constante. Par exemple, le matériau CI est porté au potentiel + V et le matériau C2 est relié à la masse, de sorte qu'un champ électrique ff prend naissance à l'intérieur du semi-conducteur D. On a représenté sur la figure 2 l'épaisseur e de la couche D qui sépare les faces opposées FI et F2, la longueur L qui est la longueur des deux bords opposés le long desquels sont placés les matériaux infectants Cl et C2 et la largeur 1 qui est l'écartement entre les deux bords opposés. Pour un bon fonctionnement d'un capteur ayant une épaisseur e de l'ordre de 1 micron et un dopage de l'élément D tel que la densité soit 3 inférieure 10 16 porteurs par cm , la largeur 1 doit être comprise entre 10 et 20 p et la longueur -L doit être supérieure à 200 p. Ce capteur permet de détecter et de mesurer l'intensité de la composante d'un champ magnétique. ff qui est perpendiculaire au champ ff et qui est parallèle aux faces Fl. La surface de l'électrode 1 de la diode Schottky doit etre inférieure à 30 p2. La figure 3 représente un mode de réalisation préférentiel d'un capteur selon l'invention. réalisé sous forme d'élément intégré. On retrouve sur cette figure la couche mince semi-conductrice D qui est un cristal de silicium de type it ou M. La couche D est déposée sur un substrat 2 monocristallin d'alumine ou saphir (Al203). La couche D est recouverte d'une couche 3 très mince d'oxyde de silicium SiO2. L'utilisation de la technologie silicium sur substrat isolant d'alumine permet d'obtenir une interface F2 très recombinante alors que l'interface F1 entre le silicium et la silice est très peu recombinante. Ce montage intégré constitue un moyen, autre que la modification de l'état des surfaces F1 et F2, pour accentuer le phénomène du magnétoconcentration des porteurs sur les faces Fl et F2 en différentiant la recombinaison des porteurs sur ces deux faces, de sorte que la face Fl sur laquelle est appliquée la diode Schottky, soit moins recombinante que la face opposée F2. On #voit sur la figure 3 l'électrode métallique 1 de la diode Schottky qui est appliquée non plus directement sur le semi-conducteur D mais sur une zone 3a de très faible épaisseur de la couche de SiO t'épaisseur de la zone 3a doit être comprise, si possible, entre 15 A et o 30 A Le semi-conducteur D, la couche 3a et la métallisation 1 constituent une diode Schottky à barrière de surface. On voit encore sur la figure 3 les deux matériaux Cl et C2 placés aux extrémités du semi-conducteur D et qui sont fortement injectants, le matériau CI en porteurs P et le matériau C2 en porteurs N . Les matériaux Cl et C2 sont constitués, de préférence, par des zones de semi-conducteur D fortement dopées en impuretés créatrices de porteurs. Le capteur représenté sur la figure 3 comporte, en outre, deux électrodes métalliques 4 et 5 qui sont soudées le long des deux bords opposés et qui permettent de polariser la magnétodiode en direct. L'électrode 4 est portée par exemple à un potentiel constant +V et l'électrode 5 est mise à la terre. t#électrode 1 de la diode Schottky est connectée sur un troisième fil 6 et la diode est polarisée en inverse, de préférence à courant constant. Par exemple, un générateur de courant maintient dans le fil 6 un courant I circulant dans le sens inverse allant du semi-conducteur vers l'électrode et ayant une intensité constante très faible, par exemple I = 100 #A. Le signal de sortie est la tention v entre les électrodes 1 et 5.qui est une tension négative, Bien entendu, le capteur peut être associé à des circuits électroniques du traitement du signal et plusieurs capteurs peuvent etre associés dans des montages en série ou en parallèle. La figure 3 correspond à un exemple de réalisation préférentiel. il est précisé que cet exemple n'est pas limitatif. La couche de silicium peut etre remplacée par une couche d'un autre semi-conducteur, par exemple par une couche de germanium et on peut utiliser un seul contactiqectart Nous+ Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, les divers éléments constitutifs des capteurs qui viennent d'etre décrits à titre d'exemple peuvent etre remplacés par des éléments équivalents remplissant les mêmes fonctions. REVENDICATIONS 1 - Dispositif semi-conducteur pour capter un champ magnétique, caractérisé en ce qu'il est composé en combinaison, d'une part, d'une magnétodiode, placée dans ledit champ qui produit une concentration différentielle des porteurs sur deux faces de ladite magnetodiode opposées et parallèles au dit champ et, d'autre part, d'une diode Schottky, qui est disposée au contact de l'une desdites faces de la magnétodiode et qui est polarisée en inverse, laquelle diode Schottky délivre une tension qui est fonction des variations de concentration en porteurs de ladite face et donc du champ magnétique. 2 - Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite magnétodiode est composée d'une jonction comportant une plaquette semi-conductrice, qui est polarisée en direct par une tension électrique constante donnant naissance à un champ électrique et qui est placée dans un champ magnétique perpendiculaire audit champ électrique et ladite diode Schottky est composée d'une métallisation de très faible surface qui est appliquée sur l'une des faces de ladite plaquette qui est parallèle aux champs électrique et magnétique. 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite magnétodiode comporte, en outre, des moyens pour différen cier la recombinaison des porteurs sur lesdites deux faces opposées, de telle sorte que la face sur laquelle est appliquée la diode Schottky soit moins recombinante que l'autre. 4 - Dispositif selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les dits moyens pour différencier la recombinaison des porteurs consistent en deux matériaux placés au contact des deux faces opposées de ladite pla quette et la nature desdits matériaux est choisie en fonction de la nature de ladite plaquette pour constituer une interface fortement recombinante avec la face de la plaquette opposée à la diode Schottky et pour constituer une interface faiblement recombinante avec la face de la plaquette portant la diode Schottky. 5 - Dispositif intégré selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite magnétodiode est composée d'une couche mince de silicium ayant deux faces et deux bords opposés, laquelle couche est déposée sur un substrat mono cristallin d'alumine par une des deux faces et est recouverte d'une couche très mince d'oxyde de silicium sur la face opposée et ladite couche compor te, le long de l'un au moins des deux bords opposés, une bande dopée en im puretés créatrices de porteurs de polarité P+ ou N et la diode Schottky est constituée par une métallisation de très faible surface qui est déposée sur une plage très mince de ladite couche d'oxyde de silicium. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite cou che mince comporte, le long de chacun des deux bords opposés, une bande dopée en impuretés créatrices, l'une de porteurs P et l'autre de por teurs N 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que ladite couche mince a une épaisseur de l'ordre de 1fut, une largeur, dans le sens parallèle au champ électrique, comprise entre 10 et 20u et une longueur, dans le sens parallèle au champ magnétique, supérieure à 200 p. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caracté risé en ce que le dopage de la partie centrale de ladite couche mince, ayant une épaisseur de l'ordre du micron, est inférieur à 10 + 16 por teurs par centimètre cube.