[Введите текст]
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
ПОЛЕВОЙ ДАТЧИК ХОЛЛА НА ОСНОВЕ СТРУКТУР «КРЕМНИЙ НА ИЗОЛЯТОРЕ»
ЛЕОНОВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ
Специальность 05.27.01 - твердотельная электроника,
радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника,
приборы на квантовых эффектах
Черноголовка 2013 г.
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук (ИПТМ РАН).
Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Мордкович Виктор Наумович.
Официальные оппоненты:
Итальянцев Александр Георгиевич, доктор физико-математических наук, Открытое акционерное общество «НИИ молекулярной электроники» (ОАО «НИИМЭ»), начальник отдела.
Мурашев Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (НИТУ «МИСиС»).
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики".
Защита состоится: « » __________ 2013 г. в « » часов «00» мин. на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 002.081.01 в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук по адресу: 142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, д.6, ИПТМ РАН.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПТМ РАН.
Автореферат разослан «____» ________________ 2013 г.
Ученый секретарь
совета по защите докторских и
кандидатских диссертаций Д 002.081.01,
кандидат химических наук Л.А. Панченко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время в сенсорной технике самое широкое применение нашли датчики магнитного поля, используемые для измерения индукции магнитного поля и бесконтактного определения механических и электрических воздействий (реле, датчики положения, измерители тока и мощности, предохранители и т.п.). Одним из наиболее распространённых типов магниточувствительных элементов являются датчики Холла (ДХ). Принцип их действия основан на эффекте Холла ? возникновении поперечной разности потенциалов при протекании тока по проводнику, находящемуся в поперечном магнитном поле. Иными словами, изменение магнитного поля при постоянном рабочем токе вызывает пропорциональное изменение электрического сигнала на выходе датчика. Относительная простота изготовления и конструкции датчика Холла поставили его на первое место по сравнению с другими преобразователями магнитного поля. Основными материалами, которые используются при изготовлении рабочего тела датчика, являются кремний (Si), арсенид галлия (GaAs) и индий-сурьма (InSb). Хотя элементы Холла на основе GaAs и InSb по своим физическим характеристикам превосходят элементы на основе кремния, но именно кремний является самым распространенным материалом, используемым для изготовления приборов на основе эффекта Холла. Это обусловлено тем, что современная микроэлектроника является, по сути дела, кремниевой. Поэтому использование ее базовых технологий обеспечивает возможность наряду с массовым изготовлением дискретных кремниевых элементов Холла осуществить их интеграцию в один кристалл с элементами обработки магнитоиндуцированного сигнала, такими как усилители, компараторы, стабилизаторы питания и т.д. В настоящее время мировой объем производства дискретных кремниевых элементов Холла и интегральных схем (ИС) на их основе исчисляется миллиардами штук в год. Однако холловские элементы на основе кремния практически достигли своих предельных параметров, таких как пороговая чувствительность, рабочая температура, диапазон рабочих частот, радиационная стойкость. В тоже время развитие сенсорной техники настоятельно требует повышения характеристик магнитосенсоров (в том числе датчиков Холла). Решение этой проблемы может быть найдено путём использования для создания датчиков Холла нового материала микроэлектроники, а именно структур «кремний на изоляторе» (КНИ), представляющих систему, в которой тонкий рабочий слой кремния отделён от подложки тонким слоем, как правило, диоксида кремния (SiO2). КНИ технология изготовления микроэлектронных приборов рассматривается экспертами в России и за рубежом как магистральное направление развития микроэлектроники на ближайшие 10 ? 15 лет. В последние годы получены убедительные свидетельства достоинств этой технологии, позволившей создать целый ряд интегральных схем различного функционального назначения, существенно превосходящих по своим характеристикам их кремниевые аналоги. Среди этих приборов - микропроцессоры гигагерцового диапазона, ИС памяти, силовые транзисторы и др. В то же время КНИ технология до сих пор, по существу, не нашла должного применения в разработке и производстве датчиков физических воздействий (в том числе магнитного поля), хотя ее потенциальные достоинства в этой области не вызывают сомнений. Из общих физических соображений следует, что КНИ технология должна улучшить характеристики датчиков Холла, так как позволяет трансформировать традиционный датчик Холла, представляющий собой пассивный элемент резистивного типа, в активный элемент транзисторного типа. Эта возможность обусловлена тем, что скрытый диэлектрик КНИ структуры и кремниевая подложка могут быть использованы как полевая управляющая система, характерная для МДП транзисторов. Благодаря этому рабочий ток в КНИ ДХ, в отличие от обычного ДХ, можно изменять и, соответственно, регулировать магниточувствительность широком диапазоне за счёт эффекта поля.
Магнитная чувствительность КНИ ДХ должна быть существенно больше, а рабочий ток существенно меньше, чем у кремниевого аналога, так как рабочий слой кремния в КНИ структуре гораздо тоньше активной области прибора, изготовленного из объемного кристалла кремния. Наличие скрытого диэлектрического слоя КНИ структуры, отделяющего КНИ ДХ от подложки, обеспечивает такому датчику существенное увеличение рабочей температуры и повышение радиационной стойкости к импульсному облучению. Полевая транзисторная природа КНИ ДХ способна обеспечить этому датчику возможность функционировать при температуре жидкого гелия.
Необходимым условием надежного функционирования любых кремниевых транзисторов и ИС является защита поверхности от воздействия атмосферы, достигаемое путем создания диэлектрической пленки (как правило, пленки диоксида кремния). В КНИ ДХ это открывает возможность создать еще одну управляющую систему. КНИ ДХ, в отличии от полевого транзистора, может содержать управляющую систему типа металл - диэлектрик - полупроводник - диэлектрик ? металл (МДПДМ), что существенно расширяет схемные возможности регистрации и управления магнитоиндуцированным сигналом.
Целью работы является разработка датчика Холла на основе структур КНИ, содержащего МДПДМ полевую управляющую систему, исследование его параметров и характеристик, изучение особенностей применения датчика в магнитометрической аппаратуре. Этот прибор назван полевым датчиком Холла (ПДХ).
Научная новизна работы
1.Разработана и экспериментально подтверждена физико-математическая модель, описывающая основные характеристики (вольт-амперные, сток-затворные и холл-затворные) полевого датчика Холла, представляющего собой магниточувствительный транзистор со встроенным каналом и управляющей системой МДПДМ типа.
2.Обнаружено на холл-затворной характеристике, где напряжение на затворе больше напряжения питания, что ЭДС Холла уменьшается с ростом потенциала на затворах МДПДМ системы, что объясняется влиянием напряжённости поперечного электрического поля затворов ПДХ.
3.Впервые обнаружены ступенчатые скачки тока на вольт-амперной характеристике (ВАХ) в режиме лавинного умножения носителей. Показано, что величина, количество и возникновение скачков зависит от соотношения напряжённостей продольного и поперечного электрических полей в канале ПДХ. магнитный холл датчик ток
4.Определены закономерности изменения подвижности электронов в канале ПДХ в зависимости от приложенных напряжений и температуры в интервале от 1,7К до 600К. Обнаружено, что поверхностные состояния на границах раздела диэлектрик - полупроводник существенно влияют на уменьшение подвижности носителей при температуре жидкого гелия.
5.Обоснованы физические принципы новых схемотехнических способов измерения магнитных полей, вытекающие из конструктивных особенностей ПДХ и которые не характерны для обычных датчиков Холла.
Практическая полезность
1.Определены электрические режимы работы ПДХ, обеспечивающие повышение магниточувствительности и устойчивости к стационарной ионизирующей радиации, расширение динамического диапазона, уменьшение коэффициента температурной зависимости чувствительности и энергопотребления, что может быть использовано для создания высокочувствительных датчиков Холла, работающих в экстремальных условиях окружающей среды.
2.Разработан способ существенного (на три порядка) увеличения отношения сигнал - шум на основе модуляции тока канала ПДХ с помощью периодического изменения потенциала на затворах МДПДМ системы и последующей обработки холловского сигнала методом синхронного детектирования.
3.Показана возможность применения ПДХ в качестве смесителя переменных электрических и магнитных полей. Разработан на этой основе способ измерения амплитуды и частоты магнитного поля, который может быть использован для спектроскопии переменных магнитных полей.
4.Разработаны новые схемотехнические решения обработки магнитоиндуцированного сигнала ПДХ, основанные на использовании элементов полевого управления МДПДМ системы для формирования цепей обратной связи. Это позволяет создать новые типы магниточувствительных сенсорных устройств, что продемонстрировано на примере созданного преобразователя индукция-частота, стабилизатора микротоков и других устройств различного функционального назначения.
5.Продемонстрирована возможность использования КНИ ПДХ для магнитных измерений в рекордно широком для кремниевых приборов диапазоне температур (от температуры жидкого гелия до 600К), что может быть использовано для создания магнитометрических устройств, работающих при температурах, в которых невозможно функционирование обычных ДХ.
Положения, выносимые на защиту
1.Модель полевого транзистора со встроенным каналом и управляющей системой МДПДМ типа полностью описывает основные электрические характеристики ПДХ ( вольт-амперную, сток-затворную и холл-затворную характеристики ПДХ).
2.Величина магнитоиндуцированного сигнала ПДХ зависит от соотношения напряжённостей продольного и поперечного электрических полей в канале прибора вблизи границ раздела с диэлектриками.
3.Полевое МДПДМ управление обеспечивает улучшение основных характеристик ПДХ и повышает надёжность его функционирования в экстремальных радиационных и температурных условиях.
4.МДПДМ конструкция ПДХ обеспечивает возможность нехарактерных для традиционных датчиков Холла методов обработки сигнала, способствующих улучшению характеристик сенсорных устройств и расширению областей их применения.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: Conference “Progress in Semiconductor-On-insulator structures and devices operating at extreme conditions”, Kyiv, 2000, «Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2000», Лыткарино, 2000, «Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2000», Лыткарино, 2001, Научно-технической конференция « Датчики и детекторы для АЭС», ДДАЭС-2002, 2002 г, 7-th International Symposium on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology, Saint-Petersburg, 2007, European Electromagnetics ( EUROEM 2008), Lausanne, Switzerland, 2008, European Magnetic Sensors & Actuators Conference (EMSA 2008), Caen (France), 2008, Международная конференция и Школа по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе, 2010г. , Конференция КРЕМНИЙ - 2010, г. Нижний Новгород, 2010, XVI Международная научная конференция, г. Красноярск, 7-9 ноября 2012 г, Electromagnetics Symposium (AES 2012), Paris, France, 2012.
Материалы диссертации опубликованы в 22 работах (в том числе 7 из них опубликованы в журналах из перечня ВАК) и 3 патентах.
Личный вклад соискателя заключался в постановке задачи, выборе методик проведения исследования, разработке и изготовлении макетов измерительной аппаратуры, планировании, проведении и анализе результатов экспериментов по измерению электрофизических характеристик КНИ ПДХ, разработке и схемотехнической реализации новых методов измерений и обработки магнитоиндуцированных сигналов, обеспечивающих улучшение основных характеристик ПДХ и расширяющих возможности их практического применения. Автором лично предложена физико-математическая модель КНИ полевого датчика Холла, проведён расчёт и экспериментально проверены его основные электрические характеристики. Основной объем экспериментов был выполнен на экспериментальной базе лаборатории радиационно-стимулированных процессов ИПТМ РАН. В тоже время соискатель принимал личное участие в постановке и проведении исследований спектров шумов ПДХ и характеристик ПДХ при температуре жидкого гелия, проведённых на базе Научно-исследовательского института импульсной техники и Объединённого института ядерных исследований.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. В ней 112 страниц, 5 рисунок, 5 таблиц, библиография насчитывает 32 источника.
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы, перечислены задачи, которые были решены для достижения поставленной цели, сформулированы положения научной новизны, практической полезности и положения, выносимые на защиту.
Первая глава диссертации посвящена литературному обзору существующих магниточувствительных элементов, физике их работы, основным характеристикам, анализу их достоинств и недостатков. Рассмотрена схемотехника обработки сигналов существующих датчиков магнитного поля, позволяющая повысить их магнитную чувствительность и температурную стойкость. Приводятся сведения о технологии КНИ и обсуждены ожидаемые преимущества приборов, изготовленных на основе этой технологии. Обоснован выбор в качестве объекта исследования элемента Холла на КНИ, как магниточувствительного элемента, обеспечивающего возможности существенного улучшения электрических характеристик и надежности по сравнению с традиционными датчиками Холла.
Вторая глава посвящена объекту исследования - полевому датчику Холла, изготовленному на основе материала «кремний на изоляторе», его конструкции и физическим принципам его функционирования. Описаны методы измерения электрических характеристик ПДХ и использованная аппаратура.
ПДХ был сформирован в отсеченном слое кремния КНИ структуры n-типа проводимости с концентрацией носителей 5Ч 1014 см-3. Конструкция ПДХ представляет собой гибрид элемента Холла и полевого транзистора со встроенным каналом. При этом возникает двухзатворная управляющая система по отношению к рабочему слою кремния. Для изучения электрофизических характеристик были использованы различные типоразмеры ПДХ (квадрат, крест, прямоугольник).
Для иллюстрации на рис.1 приведена геометрия ПДХ квадратной формы. Рабочий слой такого прибора расположен между двумя диэлектриками: верхним (толщиной 250 Е) и нижним (толщиной 4000 Е). На верхний диэлектрик нанесен металлический контакт, являющийся верхним затвором ПДХ. Со стороны подложки также нанесён металлический контакт, который вместе с кремниевой подложкой выполняет роль нижнего затвора. Такая конструкция получила название МДПДМ структуры и позволяет управлять электрическими характеристиками ПДХ.