Пленочные датчики Холла

где индексы 1 и 2 относятся к тяжелым и легким дыркам. Соответственно выражение для холловской подвижности имеет вид.

Более подробные сведения об эффекте Холла в монокристаллах и тонких пленках можно получить из монографий [9−11].

Подставляя в (5) вместо плотности тока j_x его значение I получаем выражение напряжения Холла через практически измеряемые параметры:

где d — толщина образца.

Из этого уравнения видно, что для получения высокой чувствительности к изменениям магнитной индукции (у=Д11ц/ДВ) необходимо применять как можно более тонкие образцы полупроводников с высокими значениями коэффициента Холла и подвижности носителей заряда.

Первоначально применение тонких пленок для изготовления ДХ не давало ожидаемого улучшения параметров ввиду того, что при этом вследствие вклада поверхностных эффектов в механизм рассеяния носителей заряда происходило резкое уменьшение значений, подвижности по сравнению с теми же значениями для объёмных образцов.

С развитием технологии эпитаксиального выращивания тонких совершенных пленок полупроводников появились условия для изготовления высокочувствительных и стабильных ДХ [12]. Для получения тонких пленок применяют методы наращивания с помощью жидкофазной, газотранспортной, вакуумной и молекулярной эпитаксий [13].

В настоящее время наиболее широко используемыми пленочными полупроводниками для создания ДХ являются эпитаксиальные пленки арсенида галлия. Сочетание таких факторов, как большая ширина запрещенной зоны (Е₈=1.7 эВ), высокие значения коэффициента Холла и подвижности носителей (|д_п=0.85 м²/В с), возможность автоэпитаксиального выращивания тонких слоев на полуизолирующих подложках обусловили применение этого материала для разработки ДХ.

Освоенные в промышленности арсенид галлиевые ДХ (ХАГ-П) обладают широким рабочим диапазоном температур (от -60° С до +300° С) и высокой чувствительностью к магнитному полю (выходной сигнал при магнитной индукции 0.5 Тл не менее 1 В).

Наиболее важными требованиями, предъявляемыми к подложкам ДХ, являются монокристалличность, хорошие изолирующие свойства, минимальные микрои макронеоднородности по площади подложки, близость коэффициентов термического расширения подложки и пленки.

Датчики ХАГ-П изготавливаются выращиванием эпитаксиальной пленки толщиной 5−10 мкм на полуизолирующих подложках GaAs, GaP или InP, причем последний обеспечивает минимальное рассогласование параметров решётки при эпитаксии. Однако он характеризуется большими микрои макронеоднородностями распределения электрофизических параметров, поэтому наиболее предпочтительным материалом для подложек является все же GaAs [4]. В качестве легирующих донорных примесей обычно используют олово, теллур, селен или серу.

Конструкция ДХ представляет собой прямоугольную пластину с размерами 4×2 мм, расположенную на гибкой печатной плате и помещенную в металлический корпус из нержавеющей стали (рис.2).

Для получения надежных омических контактов используются олово, серебро, золото, германий или никель, а также их сплавы.

Серебро образует легкоплавкую эвтектику с n-GaAs, имеет высокую теплои электропроводность и сравнительно медленно диффундирует в GaAs, но применение одного серебра не дает омических контактов, поэтому его используют с добавками металлов, дающих п⁺-проводимость, например 93%Ag+ 7%Sn.

Напыление сплава Ag-Sn проводится через металлическую маску при вакууме 10'³ Па с последующим вжиганисм при температуре 550−600°С в течение 5−10 минут.

Применение выводов в виде проводников гибкой печатной платы на основе полиимидно-фторопластовой композиции (индекс 3 на рис.2) позволяет повысить прочность и надежность конструкции и уменьшить механические напряжения, приводящие к временным дрейфам параметров ДХ.

Важной операцией при изготовлении ДХ является снижение (доводка) остаточного напряжения U₀, т.с. напряжения на холловских выводах в отсутствие магнитного поля. Причиной возникновения этого эффекта может служить как несимметричность расположения холловских контактов, так и искажение эквипотенциальных поверхностей из-за локальных неоднородностей полупроводниковой пленки. Первоначально операция снижения U₀ у кристаллических ДХ проводилась вручную, путем изменения геометрии пластины с помощью абразивных материалов. В настоящее время операция снижения U₀ механизирована и производится локальным выжиганием нолупроводниковой пленки в области холловских контактов сфокусированным лазерным лучом [4].

Герметизация производится полимеризацией компаунда ЭП-514 на основе эпоксидной смолы Д-20 в камере тепла при Т=140°С в течение 4 часов.

На рис. 3 приведены зависимости холловского напряжения от величины управляющего тока для различных типов арсснид-галлисвых ДХ.

Наряду с GaAs арсенид индия также является традиционным материалом для изготовления пленочных ДХ. Гетероэпитаксиальные пленки In As получают в основном методами жидкофазной и газофазной эпитаксий в хлоридно-гидридной системе. В качестве подложек используют полуизолирующий GaAs с удельным сопротивлением р= 10⁷ Ом-см при Т=300К.

Подвижность носителей заряда в пленке InAs, выращенной газофазной эпитаксией, имеет значения в диапазоне 13 200ч-17 600 см²/В сск для толщин пленок 7+18 мкм, что обеспечивает высокую магнитную чувствительность ДХ. Как видно из рис. 4, выходной сигнал арсенид индиевых ДХ имеет значения порядка 0.5 В при индукции 0.6 Тл, причем чувствительность датчиков монотонно повышается с уменьшением толщины пленки согласно формуле (20).

Однако вблизи подложки ход зависимости меняется и и_и датчиков резко уменьшается при дальнейшем утончении пленки. На рис. 5 показано влияние толщины пленки арсенида индия на полуизолирующем GaAs на холловскую подвижность электронов [14]. Значение р не изменяется в интервале толщин 6−5-10 мкм, но быстро падает с уменьшением толщины пленки до 1+2 мкм, что свидетельствует о роли переходного слоя, возникающего вблизи границы эпитаксиальная пленка-подложка, ввиду несоответствия параметров решетки.

Поэтому для правильного конструирования датчиков необходимо знать не только электрофизические параметры пленки, но и оптимальное значение ее толщины.

По магнитной чувствительности арсенид индиевые ДХ превосходят германиевые, но уступают арсенид галлиевым. Однако, несмотря на довольно высокую чувствительность и низкие значения остаточного напряжения U₀ («±0.1 мВ), арсенид индиевые ДХ не нашили широкого применения ввиду трудности получения высокой однородности выращиваемых пленок, что приводит к нестабильности параметров.

Широкое техническое использование явления сверхпроводимости выдвинуло проблему измерения сильных магнитных полей (до 10 Тл) при сверхнизких температурах. Для создания ДХ, работоспособных при таких температурах, необходимо использовать полупроводники с узкой запрещенной зоной. Использование эпитаксиальной технологии получения тонких слоев позволило получать пленки антимонида индия (Eg=0.l3B) с высокой однородностью на полуизолирующих подложках из GaAs.

Одним из распространенных методов получения пленок антимонида индия является жидкофазная эпитаксия, которая позволяет получать наиболее совершенные пленки, причем процесс выращивания проводится всего при 300 °C. Этим способом формируются пленки InSb толщиной 1.8−5-9 мкм с концентрацией электронов 5−10¹⁵ см*³ и подвижностью 55 000−58 000 см²/Вс.

Другим известным способом является термическое напыление с последующим отжигом при 500−600 °С, позволяющее получать практически монокристалличсскис пленки InSb на i-GaAs с концентрацией электронов 6−10¹⁷ см*³. ДХ на таких пленках нашли применение для измерения сильных магнитных полей (до 14 Тл) в широком температурном диапазоне (4,2−350 К).

Для получения достаточно высокой чувствительности следует использовать возможно меньшие толщины пленок, но в то же время они должны быть способны пропускать большой управляющий ток (100−200 мА). Это обстоятельство предъявляет особые требования к омическим контактам ДХ. Обычно в качестве материала для контактов к InSb используется In. Однако при подпайке выводов к индиевым контактам часто происходит растекание припоя, ухудшающее электрические характеристики приборов.

Поэтому в качестве контактов для ДХ на основе InSb используется трехслойная металлизация: подслой ванадия (для улучшения адгезии), проводящий слой меди и защитное покрытие из никеля.

Для обеспечения линейной зависимости U_H=f (B) датчика ХИС (датчик Холла из InSb) отношение длины к ширине активной части датчика выбирается равным трем, а сама пленка формируется в виде крестообразной структуры, исключающей влияние токовых контактов на основные характеристики (рис.6), так как они вынесены за пределы активной области элемента Холла.