научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОТРАНЗИСТОРОВ С НОВОЙ ТОПОЛОГИЕЙ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОТРАНЗИСТОРОВ С НОВОЙ ТОПОЛОГИЕЙ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 2, с. 120-133

= НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

УДК 621.3.049.77.002

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОТРАНЗИСТОРОВ С НОВОЙ ТОПОЛОГИЕЙ

© 2015 г. А. Ю. Красюков1, Р. Д. Тихонов2, А. В. Козлов1

1МИЭТ, 2НПК "Технологический центр" E-mail: R.Tikhonov@tcen.ru Поступила в редакцию 27.02.2014 г.

C помощью приборно-технологического моделирования исследована чувствительность латерального магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда. Сравнение результатов моделирования при параллельном расположении потоков дало возможность установить изменение знака чувствительности в магнитотранзисторе с базой в виде диффузионного кармана. Экспериментально установлено, что в планарном магнитотранзистореначальныйразбаланс напряжения коллекторов зависит от топологии электродов эмиттера, коллекторов и сильнолегированного контакта к базе. Исследованные варианты топологии латеральных и планарных магнитотранзисторов дают возможность создания малого начального разбаланса напряжения измерительных коллекторов и повышения чувствительности.

DOI: 10.7868/S0544126915020040

ВВЕДЕНИЕ

Со времени первого опыта по определению воздействия магнитного поля на биполярные транзисторы [1] разработано много структур биполярных магнитотранзисторов — БМТ, которые описаны в монографии [2]. Значительный интерес к исследованию магнитотранзисторов определяется потребностью в микроэлектронных датчиках как элементов интегральных микросистем с чувствительными элементами и со схемами обработки сигналов. К достоинствам БМТ относятся высокая магниточувствительность, линейность выходного сигнала, высокая рабочая частота, высокое отношение сигнал-шум, избирательность к направлению магнитного поля, что позволяет проводить трехмерное определение вектора магнитного поля. Возможность интегрирования БМТ с КМОП-схе-мами обработки сигнала обеспечивает получения микроэлектронных датчиков в широком диапазоне значений магнитной индукции.

Возникает вопрос — почему такой замечательный прибор не находит применения в многомиллионных тиражах микромагнитоэлектронных изделий [3—5]. В основном используются магнито-резисторы и датчики Холла. Магниторезисторы имеют гистерезис и ограниченный диапазон измеряемых магнитных полей.Датчики Холла обладают малой чувствительностью и высоким уровнем шумов. Практического значения в настоящее время БМТ не имеет. Можно отметить только две публикации, в которых описаны микросистемы с операционными усилителями [6] и в датчике угла

поворота [7] с использованием магнитотранзи-сторов.

БМТ имеет существенные недостатки и, в первую очередь, значительный и невоспроизводимый разбаланс начальных значений тока двух коллекторов, который связывают с ассиметрией структуры [8]. Это определило снижение интереса исследователей к систематическому изучению приборных применений БМТ (начал изучаться с 1970 года [9]). Двухколлекторный магнитотран-зистор специально сконструированный для повышения чувствительно к магнитному полю [10] активно исследовался до 1994 года. Ссылки на сотни работ содержатся в журнальных обзорах [11—17] и в книге [2].

МЕХАНИЗМ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ МАГНИТОТРАНЗИСТОРА

Проверка выдвинутых гипотез механизмов получения высокой чувствительности магнитотран-зисторов показала следующее.

Основной эффект отклонение тока коллекторов под действием силы Лоренца создает незначительное изменение тока коллекторов и малую чувствительность по току, что было установлено в вертикальном магнитотранзисторе с тонкой базой, слаболегированным коллектором и двумя контактами к коллектору [18].

Модуляция инжекции из эмиттера магнитным полем происходит без изменения тока эмиттера, влияющего на чувствительность, что продемонстрировано в латеральном магнитотранзисторе

10

св

а

о н о S т Я се

св Я Я

Ю ^

£

20

30

40

Разность концентрации электронов, см 3 П К1 Б Э Б К2 П

1 1 1

-100 0

Длина транзистора, мкм

100

I

1.95 х 1014 1014 1018 1012 1011 1010 -1011 -1012 -1013 -1014

Рис. 1. Распределение в БМТ разности концентрации электронов при воздействии магнитного поля и без поля при концентрационно-рекомбинационной магниточувствительности.

0

[19], изготовленном по КМОП-технологии в диффузионном кармане, с поликремниевой маской для самосовмещения электродов и для устранения утечек по поверхности.

Зависимость чувствительности магнитотранзи-стора от напряжения Холла отсутствует, так как токовый электрод эмиттера закорачивает ЭДС Холла

[20]. В этой работе показано, что чувствительность сильно повышается при дополнительном легировании поверхности базы около эмиттера.

Высокая чувствительность латеральных маг-нитотранзисторов [21] определяется магнитокон-центрационным эффектом. В магнитном поле под действием силы Лоренца на ток инжектированных носителей происходит изменение концентрации и коэффициента переноса носителей, инжектированных из эмиттера за счет рекомбинации в объеме и на поверхности.

В работе [22] показано, что сильное влияние магнитное поле оказывает на электронно-дырочную плазму в области между эмиттером и контактом к базе при высоком уровне инжекции, создающем режим открытого pin диода эмиттер-сильнолегированный контакт к базе. Распределение в БМТ разности концентрации электронов при воздействии магнитного поля и без поля при кон-центрационно-рекомбинационной магниточувствительности (КРМ) показано на рис. 1. Разность концентрации электронов в диапазоне минус 1014-1014 см-3 показывает сильное изменение концентрации электронов вблизи эмиттера вдоль

узкой полосы, прилегающей к оси симметрии в соответствии с эффектом отклонения силой Лоренца потоков электронов и дырок. Слева от оси симметрии концентрация электронов увеличивается, а справа падает. Далее от оси симметрии концентрация электронов убывает за счет рекомбинации в области кармана около эмиттера, причем в левой части быстрее, а в правой медленнее. Вблизи границы перехода карман-подложка слева от оси симметрии напротив левого коллектора в подложке наблюдается уменьшение концентрации электронов, а справа напротив правого коллектора в подложке наблюдается увеличение концентрации электронов. По сравнению с эффектом отклонения происходит инверсия изменения концентрации электронов около коллекторов, что приводит к изменению знака чувствительности. Протекающие параллельно вблизи эмиттера диффузионные потоки инжектированных из эмиттера электронов и дырок из контакта к базе отклоняются магнитным полем, что приводит к локальному изменению концентрации электронно-дырочной плазмы и, соответственно, к изменению скорости рекомбинации. Концентрацион-но-рекомбинационная магниточувствительность обеспечивает получение высокой чувствительности [23, 24] из-за высокой плотности электронно-дырочной плазмы около эмиттера.

Основываясь на особенностях КРМ для получения высоких значений чувствительности маг-нитотранзистора необходимо создавать высокую концентрацию плазменного потока в pin диоде

Б К1 Э К2 Б /БЭ /КЭ

К1 БЭБК2 /бэ/кэ

К1 Б Э Б К2 /бэ /кэ

Рис. 2. Расположение контактов к базе магнитотранзистора: а — последовательно с электродами эмиттера и коллекторов; б — у торцов эмиттера с полосковым контактным окном; в — с охватом торцов эмиттера с двумя контактными окнами.

эмиттер—контакт к базе и для этого эмиттер должен иметь малую площадь, а зазор в pin диоде необходимо уменьшать и располагать контакты к базе вплотную к эмиттеру. Другой важный момент состоит в том, что протекать потоки электронов и дырок должны параллельно. В этом случае магнитное поле направленное перпендикулярно потокам может их сдвигать или раздвигать, что приводит к усилению или ослаблению рекомбинации.

Аналогичный гальваномагнитнорекомбина-ционный (ГМР) эффект происходит в однородном полупроводнике собственной проводимости, в котором сила Лоренца воздействует на токи электронов и дырок, изменяя скорость их рекомбинации [25]. В диодных структурах с двойной инжекцией модуляция в магнитном поле проводимости базы происходит в направлении протекания тока, что дает относительно небольшое изменение тока [12, 26].

Чувствительность магнитотранзистора по напряжению пропорционально растет при увеличении расстояния между эмиттером и коллекторами (см. [27]).Однако при этом для достижения выбранной величины тока коллекторов необходимо увеличивать ток эмиттера. Для получения высокой чувствительности по току нет необходимости в увеличении расстояния между эмиттером и коллекторами, так как абсолютная токовая чувствительность возрастает при уменьшении расстояния между эмиттером и коллекторами.

Обычно в латеральных двухколлекторных-магнитотранзисторах(рис. 2а) [2] электроды эмиттер — Э, коллекторы — К1, К2, контакты базы — Б располагаются в последовательности Б К1 Э К2 Били К1 Б Э Б К2. Токи носителей за-

ряда в пространстве эмиттер—контакт к базе и между эмиттером и коллекторами накладываются друг на друга. С целью изучения КРМ и исключения наложения токов можно расположить контакт к базе около торца эмиттера. Показанные на рис. 2а структуры магнитотранзистора с сильнолегированными областями контактов к базе около торцов полоскового эмиттера имеют ортогональ-нальные потоки носителей заряда в пространстве эмиттер—контакт к базе и между эмиттером и коллекторами, что позволяет исключить сложение этих токов в базе.

ПРИБОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТОТРАНЗИСТОРА С ОРТОГОНАЛЬНЫМИ ПОТОКАМИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА

Для трехмерного моделирования структура магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда выбирается с малым расстоянием между эмиттером и коллекторами для получения максимальной чувствительности по току, а сильнолегированные области контактов к базе располагаются около торцов эмиттера, как показано на рис. 3.

Проведены расчеты токов ортогонального маг-нитотранзистора для симметричной половины топологии исходной структуры при дозах легирования кармана фосфором D кармана (well) = 2 и 4 мкКл/см2, дозах легирования базы D база (base) = = 3 и 6 мкКл/см2 в магнитном поле с индукцией В = 1 Тл, направленной вдоль эмиттера. На коллекторы относительно эмиттера подано напряжение икэ = 1.5 В, на базу совместно с

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»