| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; |
| 专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
| 申请号 | CN201711455904.3 | 申请日 | 2017-12-28 |
| 公开(公告)号 | CN108151768A | 公开(公告)日 | 2018-06-12 |
| 申请人 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所; | 申请人类型 | 科研院所 |
| 发明人 | 巫远招; 刘宜伟; 李润伟; | 第一发明人 | 巫远招 |
| 权利人 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 权利人类型 | 科研院所 |
| 当前权利人 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 当前权利人类型 | 科研院所 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：浙江省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：浙江省宁波市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：浙江省宁波市镇海区中官西路1219号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：315201 |
| 主IPC国际分类 | G01D5/12 | 所有IPC国际分类 | G01D5/12 ; H01L43/00 |
| 专利引用数量 | 5 | 专利被引用数量 | 2 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 北京鸿元知识产权代理有限公司 | 专利代理人 | 陈英俊; |
| 摘要 | 本 发明 提供了一种 半导体 磁 传感器 ，具有 场效应晶体管 结构，包括半导体基底，源极、漏极与栅极；其中，栅极由与半导体基底连接的具有 压电效应 的第一栅极以及与第一栅极连接的具有 磁致伸缩 效应的第二栅极组成；工作状态时，外界 磁场 作用于第二栅极时场效应晶体管的电 信号 发生改变，通过测试该 电信号 实现磁场的探测。该 磁传感器 结构简单，并且由于结合了场效应晶体管的信号放大作用，能够实现高灵敏度的磁场探测。 | ||
| 权利要求 | 1.一种半导体磁传感器，其特征是：具有场效应晶体管结构，包括半导体基底，以及与半导体基底相连接的源极、漏极与栅极；其中，栅极由与半导体基底连接的第一栅极以及与第一栅极连接的第二栅极组成，并且第一栅极为压电材料，第二栅极为磁致伸缩材料； |
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| 说明书全文 | 一种半导体磁传感器、其制备方法与使用方法技术领域背景技术[0002] 磁传感器是传感器中的一个重要组成部分，把磁学量信号或者其他物理量按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出。经过近一个世纪的发展，磁场传感器在人类社会生活的各个方面发挥着越来越来重要的作用，每年，全世界有数以十亿计的磁传感器投入使用。伴随着磁传感器的日臻完善，各行各业对其提出了越来越高的要求，尤其是要求其探测精度越来越高，同时要求其使用量程越来越宽，进一步拓宽应用领域，以满足实际应用的需求。因此，具有高的探测精度同时具有宽的使用量程是磁传感器新的发展方向之一，也越来越受到了研究学者的广泛关注。 [0003] 目前，较为常见的磁传感器主要有以下几类：霍尔(Hall)传感器、磁通门和电流感应磁传感器、磁电阻型传感器等。从目前的研究现状来看，室温下，磁传感器的探测精度与量程通常是顾此失彼。因此，制备即满足高的探测精度又能实现宽的探测量程的磁场传感器仍然是一大挑战，寻求新型的磁传感器是目前努力的方向之一。 发明内容[0004] 针对上述技术现状，本发明提供一种半导体磁传感器，具有场效应晶体管结构，包括半导体基底，以及与半导体基底相连接的源极、漏极与栅极；其中，栅极由与半导体基底连接的第一栅极以及与第一栅极相连接的第二栅极组成，并且第一栅极为压电材料，第二栅极为磁致伸缩材料。 [0005] 工作状态时，外界磁场作用于第二栅极，由于磁致伸缩才与压电材料存在着磁电耦合效应，磁致伸缩材料产生应力或应变传递到第一栅极，第一栅极的压电材料由于压电效应而产生电荷，从而改变了场效应晶体管沟道中载流子的浓度，引起场效应晶体管的电信号改变，通过测试该电信号实现磁场的探测。 [0006] 所述的第二栅极材料为磁致伸缩材料，即具有磁致伸缩效应，其种类不限；作为优选，所述的第二栅极材料具有大的磁致伸缩系数，以提高探测灵敏度；作为进一步优选，所述的第二栅极材料采用具有高饱和场、大磁致伸缩系数的磁致伸缩材料与强制磁致伸缩系数大的非晶软磁材料复合，以同时实现宽量程的磁场探测。所述的具有高饱和场、大磁致伸缩系数的磁致伸缩材料包括但不限铁镓(FeGa)或者铽镝铁(TeDyFe)等；所述的强制磁致伸缩系数大的非晶软磁材料包括但不限于铁硅硼(FeSiB)或者钴铁硅(CoFeSi)等。 [0007] 所述的第一栅极材料为压电材料，即具有压电效应，其种类不限；当所述的第一栅极材料的压电系数大时，由于磁致伸缩效应第二栅极材料产生的机械运动可以使压电材料产生更多的电荷，从而获得更高的灵敏度，因此作为优选，所述的第一栅极材料选用具有大的压电系数的压电材料，进一步优选，采用压电系数大的锆钛酸铅(PZT)或者聚偏二氟乙烯材料(PVDF)等。 [0009] 所述的漏极即为场效应晶体管中的漏极，具有导电性，其材料不限，包括金属材料等；作为优选，所述的漏极材料为铝(Al)、金(Au)或者钛(Ti)。所述的漏极形态不限，优选为薄膜状。 [0010] 所述的半导体基底即为场效应晶体管中的半导体基底，其材料不限，包括硅半导体基底，例如n型硅或者p型硅等；作为优选，所述的半导体基底采用含氮化镓(GaN)与铝镓氮(AlxGa1-xN)外延层的硅衬底。 [0011] 为了提高探测灵敏度，所述半导体基底优选为微纳米尺寸，作为进一步优选，其长度为10微米～500微米，宽度为5微米～100微米，厚度为1微米～50微米。进一步优选，所述的源极、漏极与栅极为微纳米尺寸；作为更优选，所述源极、漏极与栅极的长度和宽度均为1～200微米，厚度为纳米级。 [0012] 所述的场效应晶体管的电信号包括但不限于场效应晶体管的源漏极电流、沟道电子迁移率等。 [0013] 本发明还提供了一种制备上述半导体磁传感器的方法，包括如下步骤： [0014] (1)场效应晶体管的源极制备 [0015] 在半导体基底上通过微加工工艺制备源极，作为优选，采用紫外光刻方法制备源极图案，然后采用磁控溅射方法在该源极图案表面制备源极；作为进一步优选，制备源极之后进行快速退火热处理，以进一步确保形成欧姆接触； [0016] (2)场效应晶体管的漏极制备 [0017] 在半导体基底上通过微加工工艺制备漏极，作为优选，采用紫外光刻方法制备漏极图案，然后采用磁控溅射方法在该漏极图案表面制备漏极；作为进一步优选，制备漏极之后进行快速退火热处理，以进一步确保形成欧姆接触； [0018] (3)场效应晶体管的栅极制备 [0019] 在半导体基底上通过微加工工艺制备栅极，作为优选，采用紫外光刻方法制备栅极图案，然后采用脉冲激光方法或者化学旋涂方法生长第一栅极材料；然后，采用磁控溅射方法生长第二栅极材料； [0020] 场效应晶体管的半导体基底可以采用商业化的市售产品，也可以采用沉积技术在半导体上沉积外延扩散层以扩散掺杂元素制得。 [0021] 本发明的半导体磁传感器的使用方法包括如下步骤： [0022] (1)对半导体磁传感器的第二栅极施加固定的外加磁场，测试该磁传感器中场效应晶体管在一定测试条件下的电信号，例如输出特性曲线、转移特性曲线等，改变外加磁场的大小，得到一系列在某一固定外加磁场下的参考电信号； [0023] (2)保持与步骤(1)中的测试条件相同，测试该磁传感器中场效应晶体管的实际电信号，将该实际电信号与步骤(1)中得到的参考电信号进行比对，与之相同的参考电信号所对应的外加磁场即为实际测量的磁场值。 [0024] 综上所述，本发明采用场效应晶体管结构构成一种新型的磁传感器，通过晶体管结构设计，将栅极设计为由压电材料构成的第一栅极与由磁致伸缩材料构成的第二栅极，工作状态时外界磁场作用于第二栅极，由于磁致伸缩效应其产生机械运动并作用于第一栅极，在压电效用作用下使得场效应晶体管沟道中的载流子浓度变化，引起场效应晶体管的电信号改变，通过测试该电信号实现磁场的探测。另外，该磁传感器结合了场效应晶体管的信号放大作用，实现了高灵敏度的磁场探测，尤其是当采用具有高饱和场、大磁致伸缩系数的材料与强制磁致伸缩系数大的非晶软磁材料复合作为第二栅极材料时，能够制得不仅具有高的探测精度，又能实现宽的探测量程的磁场传感器，可探测的外界磁场范围从纳特斯拉(nT)到特斯拉(T)量级，在磁传感器技术领域中具有良好的应用前景。附图说明 [0025] 图1是本发明实施例1中的半导体磁传感器的结构示意图。具体实施方案 [0026] 下面结合附图与实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。 [0027] 图1中的附图标记为：半导体基底1、源极2、漏极3、第一栅极4、第二栅极5。 [0028] 实施例1： [0029] 本实施例中，半导体磁传感器的结构如图1所示。该半导体磁传感器具有场效应晶体管结构，由半导体基底1、源极2、漏极3以及栅极构成。源极2、漏极3与栅极位于半导体基底1上；其中，栅极由位于半导体基底1上的第一栅极4以及位于第一栅极4上的第二栅极5组成。 [0030] 并且，半导体基底1为含氮化镓(GaN)与铝镓氮(AlxGa1-xN)外延层的硅衬底。源极2是厚度为2nm～100nm的金薄膜、漏极3是厚度为2nm～100nm的钛薄膜，第一栅极4是厚度为 2nm～500nm的锆钛酸铅(PZT)薄膜，第二栅极5是厚度为2nm～500nm的磁致伸缩材料FeGa薄膜。 [0031] 该半导体磁传感器的制备方法包括如下步骤： [0032] (1)场效应晶体管的半导体基底制备 [0034] (2)场效应晶体管的源极制备 [0035] 在半导体基底上采用紫外光刻方法制备长度为5μm～500μm，宽度为5μm～500μm的长方形源极图案，然后采用磁控溅射方法在该长方形源极图案上生长厚度为2nm～100nm的金(Au)薄膜。 [0036] (3)场效应晶体管的漏极制备 [0037] 在半导体基底上采用紫外光刻方法制备长度为5μm～500μm，宽度为5μm～500μm的长方形漏极图案，然后采用磁控溅射方法在该长方形漏极图案上生长厚度为2nm～100nm的钛(Ti)薄膜。 [0038] (4)场效应晶体管的栅介质制备 [0039] 在半导体基底上采用紫外光刻方法制备长度为5μm～10μm，宽度为5μm～10μm的长方形第一栅极图案，然后采用脉冲激光方法在该长方形第一栅极图案上生长厚度为2nm～500nm的锆钛酸铅(PZT)薄膜；接着，采用磁控溅射方法在锆钛酸铅(PZT)薄膜表面生长厚度为2nm～500nm的磁致伸缩材料FeGa薄膜。 [0040] 对该半导体磁传感器进行如下测试： [0041] (1)不施加外加磁场时，采用半导体参数仪在一定测试条件下测试该半导体磁传感器中的场效应晶体管的输出特性曲线； [0042] (2)对该半导体磁传感器的第二栅极施加固定的外加磁场，采用与步骤(1)中相同的半导体参数仪，并且在与步骤(1)中相同的测试条件下测试该半导体磁传感器中场效应晶体管的参考输出特性曲线；发现当施加外加磁场时，该磁传感器的场效应晶体管的输出特性曲线发生改变； [0043] 改变外加磁场的大小，得到一系列在某一固定外加磁场下的参考输出特性曲线。 [0044] 在实际应用中，测试该半导体磁传感器中的场效应晶体管的实际输出特性曲线，具体测试条件与步骤(1)中所述的测试条件相同，获得实际的输出特性曲线；将该实际的输出特性曲线与步骤(2)中得到的输出特性曲线相对比，与之相同的输出特性曲线所对应的外加磁场即为实际测量的磁场值。 [0045] 实施例2： [0046] 本实施例中，半导体磁传感器的结构与实施例1中的半导体磁传感器的结构基本相同，所不同的是：源极2是厚度为2nm～100nm的钛薄膜、漏极3是厚度为2nm～100nm的金薄膜，第一栅极4是厚度为2nm～500nm的聚偏二氟乙烯材料(PVDF)薄膜，第二栅极5是厚度为2nm～500nm的磁致伸缩材料FeSiB薄膜。 [0047] 该半导体磁传感器的制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，所不同的是：步骤(2)中，采用磁控溅射方法在该长方形源极图案上生长厚度为2nm～100nm的钛薄膜；步骤(3)中，采用磁控溅射方法在该长方形漏极图案上生长厚度为2nm～100nm的金薄膜；步骤(4)中，采用化学旋涂方法在长方形第一栅极图案上生长厚度为2nm～500nm的聚偏二氟乙烯材料(PVDF)薄膜；接着，采用磁控溅射方法在聚偏二氟乙烯材料(PVDF)薄膜表面生长厚度为2nm～500nm的磁致伸缩材料FeSiB薄膜。 [0048] 对该半导体磁传感器进行如下测试： [0049] (1)不施加外加磁场时，采用半导体参数仪在一定测试条件下测试该半导体磁传感器中的场效应晶体管的转移特性曲线； [0050] (2)对该半导体磁传感器的第二栅极施加固定的外加磁场，采用与步骤(1)中相同的半导体参数仪，并且在与步骤(1)中相同的测试条件下测试该半导体磁传感器中场效应晶体管的参考转移特性曲线等；发现当施加外加磁场时，该磁传感器的场效应晶体管的转移特性曲线发生改变； [0051] 改变外加磁场的大小，得到一系列在某一固定外加磁场下的参考转移特性曲线。 [0052] 在实际应用中，测试该半导体磁传感器中的场效应晶体管的实际转移特性曲线，具体测试条件与步骤(1)中所述的测试条件相同，获得实际的转移特性曲线；将该实际的转移特性曲线与步骤(2)中得到的转移特性曲线相对比，与之相同的转移特性曲线所对应的外加磁场即为实际测量的磁场值。 [0053] 以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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