探索半导体三维磁矢量器件的技术

磁感应强度B 是矢量，前述的霍尔器件、磁敏二极管、磁敏三极管和CMOS 磁敏器件无法判断磁场方向，只有使探头中的磁场敏感器件相对于B 有某一精确的空间取向时，才能测得B 的数值，否则测得的只是B 的某一个分量的值。半导体三维磁矢量器件能克服上述缺点，能同时测得B 的三个分量Bx、By、Bz，然后得到B 的量值和方向。

霍尔器件只能测量B 垂直于器件平面的分量Bz，这种器件可称为横向霍尔器件，它的控制电流平行于器件表面流动。当器件的工作区为外延层，则横向霍尔器件的控制电流平行于外延层流动，外延层表面即横向霍尔器件表面。

纵向霍尔器件结构如图8-10 所示，可用以检测B 平行于外延层表面的分量Bx、By。控制电流从表面的电流电极a 垂直于外延层向下流动到N +埋层(电阻率很小)的一端，再流向N +埋层的另一端，由此向上流向表面上的另一电流电极b。设平行于外延层表面且垂直于电流电极条的B 的分量为Bx垂直外延层，由埋层一端向上运动到电流电极a 的电子，其速度垂直于Bx。在洛伦兹力作用下，电子向图8-10 俯视图的下方偏转，下方积累电子而带负电，上方带正电，产生霍尔电场和霍尔电势。两个霍尔电势电极分别在左边电流电极a 两端附近。这种器件的乘积灵敏度可达65 V/(A·T)，由于Bx能起作用的电流垂直于外延层，这种器件为纵向霍尔器件。

对于By的测量，在测量Bx的纵向霍尔器件旁边，制备一个垂直于它的纵向霍尔器件，如图8-11 所示。紧挨这两个纵向霍尔器件，再制备一个横向霍尔器件，用以测量Bz，这种器件即为三维霍尔器件。

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图8-10 纵向霍尔器件结构

图8-11 三维霍尔器件结构示意图

纵向霍尔器件的乘积灵敏度大大低于横向霍尔器件[约300 V/(A·T)]，原因是纵向器件控制电流的有效路径l 只为外延层厚度，而电流宽度为电流电极长度，使器件的长宽比l/w ≪1。

如图8-11 所示，两个纵向器件分别测量Bx、By，横向器件测量Bz 。通过信号处理电路整合，，并示出B 的方向。这种三维磁敏器件的空间分辨率约17 μm×50 μm×50 μm。虽然纵向霍尔器件灵敏度较低，但由于霍尔器件的磁线性优于其他半导体磁敏器件且结构简单，易与配套电路集成化，因而受到重视。