Micro-hall devices based on high-electron-velocity semiconductors
Creators: name: Kunets, Vasyl
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 2004
Subjects: subject: Mikro-Hall-Sensoren
subject: Quantengraben-Strukturen mit dotiertem Kanal
subject: Elektronen-Driftgeschwindigkeit
subject: Magnetische
subject: micro-Hall devices
subject: doped-channel quantum well heterostructures
subject: electron drift velocity
subject: magnetic sensitivity
subject: 530 Physik
subject: 29 Physik, Astronomie

description: AlGaAs/GaAs- und AlGaAs/GaAs/InGaAs-Quantengraben-Strukturen mit dotiertem Kanal sowie modulationsdotierte AlGaAs/InGaAs/GaAs- Heterostrukturen auf Halbleitermaterialien mit hoher Elektronendriftgeschwindigkeit werden erfolgreich zur Herstellung von Mikro-Hall-Bauelementen eingesetzt. Mit Blick auf ihre Eignung als Magnetfeldsensoren werden die Signal-Linearität, die Sensitivität und das Rauschen bei schwachen und starken elektrischen Feldern untersucht. Auch bei höheren elektrischen Feldern von mehr als 1.8 kV/cm zeigen die Bauelemente mit dotiertem Kanal eine ausgezeichnete Linearität des Signals. Magnetische Empfindlichkeiten von bis zu 600 V/A/T werden im Konstantstrombetrieb gemessen. Unter Verwendung eines Si-δ-dotierten pseudomorphen InGaAs-Quantengrabens wird sowohl eine bessere Sensitivität als auch ein besseres Rauschverhalten erzielt als bei homogen dotiertem GaAs-Kanal. Als beste Signal-Rausch-Empfindlichkeit wird ein Wert von 138 dB/T erreicht für ein Bauelement von 10·10 µm Fläche (bei 300 K, 100 kHz Messfrequenz und 1 Hz Bandbreite). Da das elektrische Verhalten dieser Strukturen besonders durch die hohen Elektronendriftgeschwindigkeiten bestimmt wird, tritt auch bei hohen elektrischen Feldern bis zu 2.4 kV/cm keine Degradation des Bauelementes auf. Als niedrigste Nachweisgrenze für Magnetfelder wird ein Wert von 127 nT/√Hz bestimmt. Verglichen damit, zeigen die modulationsdotierten Bauelemente von 20·20 µm Größe zwar eine höhere Signal-Rausch-Empfindlichkeit von 141 dB/T bei geringen elektrischen Feldern, die sich aber bei höheren Feldstärken stark verschlechtert. Daher haben die Bauelemente mit dotiertem Kanal und pseudomorph verspanntem InGaAs-Quantengraben unter Ausnutzung hoher Elektronendriftgeschwindigkeit bei hohen elektrischen Feldern einige Vorteile gegenüber den modulationsdotierten Strukturen mit hoher Elektronenbeweglichkeit. Untersuchungen der thermischen Stabilität von Bauelementen mit modulationsdotiertem Quantengraben zeigen, dass eine dicke InGaAs-Schicht (innerhalb fixierter Gesamtdicke des GaAs/InGaAs-Kanals) erforderlich ist, um die parasitäre Parallel-Leitfähigkeit des GaAs-Kanals zu vermeiden. Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnis und bei Verwendung eines hohen Dotierungsgrades werden ausgezeichnete Temperaturstabilitäten von 90 ppm/K im Konstantstrombetrieb und 192 ppm/K im Konstantspannungsbetrieb erzielt. Unabhängig davon zeigen optische Untersuchungen mit Photolumineszenz-Spektroskopie und Raman-Streuung einen hohen Fehlordnungsgrad in dünnen InGaAs-Quantengräben, der dagegen für dicke pseudomorphe InGaAs-Schichten vernachlässigbar ist. Daher resultiert eine dickere InGaAs-Schicht nicht nur in einer höheren absoluten magnetischen Sensitivität und besseren thermischen Stabilität, sondern auch in geringerem 1/f-Rauschen als Ergebnis von Leitfähigkeitsfluktuationen. Besondere Anstrengungen werden unternommen zum Einsatz der Rauschspektroskopie tiefer Zentren zur Untersuchung der Qualität von Halbleitervolumina bzw. -schichten. In Kombination mit den Untersuchungen der betriebsstromabhängigen Sensitivität erweist sich diese Methode als am Besten geeignet für die Optimierung von Mikro-Hall-Bauelementen. Der Einfluss der Skalierung des Bauelementes auf seine Charakteristika wie Rauschen und magnetische Empfindlichkeit wird untersucht. Sowohl die Signal-Rausch-Empfindlichkeit als auch die Grenzempfindlichkeit sind größenabhängig. Der Einfluss der Geometrie auf die Verteilung des elektrischen Feldes wird für die Form eines Griechischen Kreuzes durch numerische Rechnungen simuliert und diskutiert. Abgerundete Ecken erweisen sich als am Besten geeignet für die Herstellung hochsensitiver und rauscharmer Mikro-Hall-Bauelemente.
description: Doped-channel quantum well (QW) AlGaAs/GaAs and AlGaAs/GaAs/InGaAs as well as modulation-doped AlGaAs/InGaAs/GaAs heterostructures based on high electron drift velocity semiconductors are successfully applied to the fabrication of micro-Hall devices. Considering these devices as magnetic sensors, their properties were characterized in terms of signal linearity, sensitivity and noise at low and high electric fields. Even at electric fields higher than 1.8 kV/cm, the doped-channel devices exhibit an excellent signal linearity. Magnetic sensitivities up to 600 V/T/A in current drive mode are measured. The usage of a Si-δ-doped pseudomorphic InGaAs QW results in better sensitivity and noise performance than does uniformly doped GaAs. A maximal signal-to-noise sensitivity (SNS) of 138 dB/T is achieved in 10 μm square size device at 300 K, 100 kHz frequency and 1 Hz bandwidth. Because the performance in these structures is driven in part by the high electron drift velocity, it does not degrade even at high electric fields up to 2.4 kV/cm and corresponds to a lowest detection limit of 127 nT/√Hz. Comparatively, the modulation-doped devices of 20 μm square size exhibit a higher SNS of 141 dB/T at low electric fields, but degrade at higher fields. Thus, the doped-channel pseudomorphically strained InGaAs QW high-velocity devices have several advantages over modulation-doped high-mobility structures at high electric fields. Thermal stability studies of doped-channel QW devices reveal a thick InGaAs layer (within a fixed total thickness of the GaAs/InGaAs channel) necessary to avoid the parasitic parallel conductivity in GaAs channel. Using this result and a high doping level, superior temperature stabilities of 90 ppm/K in the current drive mode and 192 ppm/K in the voltage drive mode are attained. Independently, optical studies like photoluminescence and Raman scattering reveal a high degree of disorder in thin InGaAs QWs, being negligible for thick pseudomorphic InGaAs layers. Hence, a thick InGaAs layer causes not only a higher absolute magnetic sensitivity and a better thermal stability, but also lower 1/f noise being a result of conductivity fluctuations. Special effort is devoted to the application of deep level noise spectroscopy as a very sensitive probe for semiconductor bulk and layer quality. Combined with supply-current-related sensitivity studies, this method is most suitable for micro-Hall device optimization. The effect of device scaling on device characteristics like noise and absolute magnetic sensitivity is studied. Both the SNS and detection limit are shown as size-dependent. Additionally, geometry effects on the electric field distribution for Greek cross shapes are simulated by numerical calculations and discussed. Rounded corners appear as most appropriate for the fabrication of highly sensitive low-noise micro-Hall devices.