ЭЛЕМЕНТ ХОЛЛА

Полезная модель относится к приборам с использованием гальваномагнитных или аналогичных магнитных эффектов, а конкретно к приборам с с использованием эффекта Холла и может найти применение в различных сенсорных устройствах в микроэлектронике.
2
2
4
7
x
Известны элементы Холла (см., например, 1) US №3046458, (С1 317-234), опубл. 24.07.1962; 2) US №4204132, (Int. C1. Н03В 7/00), опубл. 20.05.1980; 3) US №4223292, (Int. Cl. H01L 43/04), опубл. 16.09.1980), 4) US №4584552, (Int. Cl. H01L 43/04), опубл. 22.04.1986); 5) US №6639290 Bl, (Int. Cl. H01L 29/82, H01L 43/04, H01L 43/06), опубл. 28.10.2003), содержащие полупроводниковый образец, имеющий два токовых контакта на торцах и, по крайней мере, два потенциальных контакта, расположенных между токовыми контактами на противоположных сторонах образца на линии, которая перпендикулярна как направлению тока, так и направлению вектора магнитной индукции. Когда элемент Холла помещают в однородное магнитное поле и пропускают электрический ток через его токовые контакты, на потенциальных контактах элемента Холла возникает разность потенциалов V, величина которой определяется одной из формул:
где:
r - Холл-фактор,
q - заряд электрона,
n - концентрация электронов в полупроводнике n -типа проводимости,
р - концентрация дырок в полупроводнике р -типа проводимости,
I - величина тока, протекающего по образцу,
В - величина магнитной индукции,
d - размер образца в направлении магнитного поля (толщина образца).
x
x
x
В слабых магнитных полях, если основным механизмом рассеяния носителей заряда являются тепловые колебания решетки, то r=3π/8, при рассеянии на ионах примеси r=315π/512=1.93, в вырожденных полупроводниках r=1. Если холловская разность потенциалов V измерена, то, измерив любые три параметра из четырех параметров: n (или р), I, В и d, можно затем определить по формулам, приведеннымвыше, четвертый параметр. На этом основано использование элементов Холла при создании датчиков различных физических величин. В полупроводниковой электронике обычно определяют концентрацию носителей заряда n (или р) в полупроводниках при известных значениях величин: d, В, и измеренных значениях V и тока I. Если измеряют магнитную индукцию В, то используют заранее известные значения величин: n (или р) и d, и измеренные значения V и тока I. Недостатком вышеуказанных элементов Холла является отсутствие возможности измерения на одном и том же образце величины n (или р) при неизвестном значении величины В, и, наоборот, измерения величины В, если для того же используемого элемента Холла неизвестно значение величины n (или р).
2
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели и принятым за прототип является элемент Холла (см. статью: Look D.C. Schottky-barrier profiling techniques in semiconductors: Gate current and parasitic resistance effects. J. Appl. Phys., Vol. 57, No. 2, 15 January 1985, pp. 377-383 (DOI: 10.1063/1.334762); а также книгу: Кучис E.B. Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования. - М.: «Радио и связь», 1990, стр. 156-158), содержащий полупроводниковый образец в виде полосы, который имеет два токовых контакта на концах полосы, два потенциальных холловских контакта, расположенных между токовыми контактами на противоположных сторонах полосы на линии, которая перпендикулярна как направлению тока, так и направлению магнитного поля, два потенциальных контакта на одной продольной стороне полосы для измерения проводимости полупроводника, а также затвор с барьером Шоттки, расположенный между двух токовых контактов на той внешней плоскости полосы, которая перпендикулярна направлению магнитного поля. Этот элемент Холла имеет структуру полевого транзистора с затвором в виде контакта с барьером Шоттки, выполнен из слоя GaAs, сформированного путем ионной имплантации (100 keV) на легированной Сr полуизолирующей GaAs подложке, и имеет размеры полосы 120×30 мкм. Недостатком этого элемента Холла является то, что контакт с барьером Шоттки электрически шунтирует рабочую (для эффекта Холла) область полупроводниковой полосы, на которой он расположен. Кроме этого расположение двух токовых контактов вне области полосы с контактом Шоттки снижает корректность использования соотношения для расчета толщины обедненного слоя контакта с барьером Шоттки, полученного для сэндвич структуры, а малые размеры полупроводниковой полосы усложняют технологию изготовления данного элемента Холла.
Заявляемая полезная модель решает техническую задачу упрощения конструкции элемента Холла, имеющего контакт с барьером Шоттки, и повышения ее технологичности.
Указанный технический результат достигается тем, что предложен элемент Холла, содержащий полупроводниковый образец в виде пластины, который имеет два токовых контакта на одной поверхности пластины, расположенных вдоль линии длины пластины с двух противоположных сторон, два потенциальных холловских контакта, расположенных между токовыми контактами на линии, которая перпендикулярна линии расположения токовых контактов с двух противоположных сторон, два контакта с барьером Шоттки на обратной поверхности пластины, расположенных вдоль линии длины с двух противоположных сторон под токовыми контактами, при этом контакты с барьером Шоттки выполнены в виде дисков, которые не касаются боковых и торцевых граней пластины.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где показаны в увеличенном масштабе вид сверху на предлагаемый элемент Холла и продольный разрез этого элемента по плоскости А-А.
Элемент Холла содержит полупроводниковый образец в виде пластины 1, который имеет два токовых контакта 2 и 3 на концах пластины 1, два потенциальных холловских контакта 4 и 5, расположенных между токовыми контактами 2 и 3 на противоположных сторонах пластины 1 на линии, которая перпендикулярна как направлению тока, так и направлению магнитного поля, два контакта с барьером Шоттки 6 и 7, при этом контакты с барьером Шоттки 6 и 7 расположены на концевых участках пластины 1 на обратной поверхности пластины, которая противоположна поверхности с двумя токовыми контактами 2 и 3, и выполнены в виде дисков, которые не касаются боковых и торцевых граней пластины 1.
2
-6
-3
-6
В первом примере выполнения заявляемого элемента Холла полупроводниковый образец в виде пластины 1 выполняют из пластины кремния р-типа проводимости с толщиной 0,4 мм путем скрайбирования пластины алмазным резцом и последующей ее ломки на образцы с размерами 20Ч4 мм. После этого осаждают локально тонкую пленку алюминия с толщиной 0,4 мкм на концевые участки пластины 1 и на области потенциальных холловских контактов 4 и 5 в вакууме при давлении остаточных газов (5-6)*10 мм рт.ст. через окна в свободной маске и вжигают эту пленку в кремний в вакууме при давлении остаточных газов (6-8)*10 мм рт.ст. и температуре 500°С в течение 20 минут. Вжигание алюминия в р-кремний приводит к формированию омических токовых контактов 2 и 3, а также потенциальных холловских контактов 4 и 5на р-кремнии. Затем загружают образцы в маску с отверстиями диаметром 3 мм и осаждают локально пленку алюминия толщиной 0,1 мкм на концевые участки пластины 1 на обратной поверхности пластины, которая противоположна поверхности с двумя токовыми контактами 2 и 3, в вакууме при давлении остаточных газов (5-6)*10 мм рт.ст., и в результате этого формируют контакты с барьером Шоттки 6 и 7. Время изготовления элемента Холла в этом примере его выполнения, т.е. проведения двух операций термовакуумного напыления алюминия и его вжигания в р-кремний, составляет 1,5 часа.
2
-6
-6
Во втором примере выполнения заявляемого элемента Холла полупроводниковый образец в виде пластины 1 выполняют из пластины кремния n-типа проводимости с толщиной 0,4 мм путем скрайбирования пластины алмазным резцом и последующей ее ломки на образцы с размерами 20Ч4 мм. После этого осаждают локально пленку палладия (или платины) толщиной (0,02-0,03) мкм через отверстия диаметром 3 мм в свободной маске на концевые участки пластины 1 при температуре полупроводниковых образцов (170-200)°С в вакууме при давлении остаточных газов (5-6)*10 мм рт.ст., и в результате этого формируют контакты с барьером Шоттки 6 и 7. Затем осаждают локально через окна в свободной маске пленку алюминия толщиной 0,4 мкм при температуре полупроводниковых образцов (110-120)°С на концевые участки пластины 1 и на области потенциальных холловских контактов 4 и 5 на обратной поверхности пластины, которая противоположна поверхности с двумя контактами с барьером Шоттки 6 и 7, в вакууме при давлении остаточных газов (5-6)*10 мм рт.ст., и в результате этого формируют омические токовые контакты 2 и 3 и потенциальные холловские контакты 4 и 5. Время изготовления элемента Холла во втором примере его выполнения, т.е. проведения двух операций термовакуумного напыления палладия (или платины) и алюминия, не превышает 1 часа.
x
Заявляемый элемент Холла работает следующим образом. Когда элемент Холла помещают в однородное магнитное поле с магнитной индукцией В и пропускают электрический ток I через его токовые контакты 2 и 3, на потенциальных контактах 4 и 5 элемента Холла возникает разность потенциалов V, величина которой определяется формулой:
, в первом примере выполнения,
, во втором примере выполнения элемента Холла,
где:
r - Холл-фактор,
q - заряд электрона,
р - концентрация дырок в полупроводнике р-типа проводимости,
n - концентрация электронов в полупроводнике n-типа проводимости,
d - размер образца в направлении магнитного поля (толщина образца).
х
Если определяют концентрацию носителей заряда р (или n) в полупроводниковом образце при известных значениях величин: d, В, то измеряют значения V и тока I, а затем рассчитывают концентрацию носителей заряда р (или n), используя формулы, приведенные выше.
x
x
Если же величина магнитной индукции В неизвестна и ее надо измерить с помощью того же элемента Холла, то в этом случае кроме известного значения величины d и измеренных значений V и тока I, необходимо знать значение величины концентрации носителей заряда р (или n) в полупроводниковом образце. В этом случае используют два контакта с барьером Шоттки 6 и 7 и сначала измеряют концентрацию носителей заряда р (или n) в полупроводниковом образце с помощью вольт-фарадного метода измерения концентрации носителей тока в полупроводнике, а затем измеряют холловскую разность потенциалов V и ток I и рассчитывают величину магнитной индукции В по формулам, приведенным выше.
Таким образом, при использовании заявляемого элемента Холла становится возможным измерение на одном и том же образце величины n (или р) и измерение величины В.
Наличие в элементе Холла двух контактов с барьером Шоттки повышает его надежность, и позволяет выполнять оценку неоднородности распределения концентрации носителей тока в используемом полупроводниковом материале, а также измерять профиль легирования в поверхностном слое этого материала. Кроме этого использование заявляемой полезной модели позволяет упростить конструкцию элемента Холла и, соответственно, технологию его изготовления, обеспечивая время его изготовления в интервале (1-1,5) часа в различных вариантах исполнения. Последнее позволяет применять эту полезную модель в учебном процессе при выполнении студентами лабораторных, курсовых и дипломных работ, связанных с изготовлением ими экспериментальных образцов элемента Холла, содержащих контакты с барьером Шоттки, и последующим изучением холловского и вольт-фарадного методов измерения параметров полупроводников и сравнением этих методов на основе использования изготовленных ими образцов.