一种基于锗衬底的场效应晶体管磁传感器及其制备方法

本发明涉及传感器领域，具体涉及一种基于锗衬底的场效应晶体管磁传感器及其制备方法。

背景技术：

1、磁传感器是传感器中的一个重要组成部分，是把磁学信号变换成为电信号等其他所需形式的信息输出的传感器。磁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。随着高度自动化科技发展，磁传感技术在机器人和工厂自动化中的优势尤其明显。由于磁传感器在零件位置和速度检测方面具有更高的可靠性和精密度，因此，它对运动控制而言至关重要。这一优势也让机器手臂和其它部件能够平稳而准确地移动，从而确保高质量和高安全性的制造过程。磁传感器还大量用于如洗衣机和微波炉等家用电器中，以检测机器的门是处于关闭还是打开状态。磁传感器还被广泛用于医疗器械中，例如，应用于助听器时，它能够检测佩戴者是否携带了手机，然后更改相应的模式，以帮助佩戴者能够更清楚地听到来电。此外，它还常被用于电梯中的楼层检测以及检测例如平板电脑或手机等手持设备是处于打开还是关闭的状态。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，尤其是要求其探测灵敏度越来越高，进一步拓宽应用领域，以满足实际应用的需求。因此，具有高的灵敏度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。

2、比如，公开号为cn1 08054273a的专利申请公开了一种场效应晶体管式磁传感器，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，半导体基底由基底层与位于该基底层表面的半导体层组成，并且基底层与半导体层之间电绝缘，基底层具有磁致伸缩效应，半导体层具有压电效应；工作状态时，外界磁场作用于基底层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。以及公开号为cn108039406a公开了一种磁传感器，具有场效应晶体管结构，包括半导体衬底、源极、漏极与栅极；其中，半导体衬底具有压电效应，半导体衬底上设置具有磁致伸缩性能的磁体；工作状态时，外界磁场作用于磁体，场效应晶体管的电信号发生改变，通过测试该电信号的变化实现该外界磁场的探测。该磁传感器结构简单易行，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。

3、因此，在磁传感器的制作中，其需要高灵敏度，并可集成于一体，寻求新型的磁传感器仍是目前努力的方向之一。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有磁传感器件的不足，提供一种基于锗衬底的场效应晶体管磁传感器件，采用锗衬底制备场效应晶体管作为磁传感器，其结构为一种带有两个霍尔电压输出端子的mos晶体管，对增强型器件而言，当它的栅极电压作为高电平时可作为霍尔器件使用，为低电平时它的端子间呈高阻状态，无霍尔电压输出，磁场的改变会影响输出电流的大小。

2、工作状态时，将磁感应pmos器件的源极和锗晶圆衬底连接在一起，并处于地电位，漏极和栅极接触电极分别连接电源，将所述场效应晶体管磁传感器与磁场垂直放置，利用漏极电流的变化测出霍尔输出压力的变化，从而得出外加磁场的改变。

3、漏端接电压vds，栅极电压为vgs，源极和衬底连接在一起接地，mos霍尔器件的漏源电流i就是控制电流。这时在垂直磁场(磁场强度为b)的作用下，将在霍尔输出极上产生霍尔输出电压vh。灵敏度k1则通过以下公式计算：

4、

5、本发明中基于锗衬底的场效应晶体管磁传感器件，由于锗材料空穴迁移率高的优势，很好地克服了灵敏度低、难于集成的缺点，且基于锗衬底制备的场效应晶体管具有工艺简单，良率高，且与集成电路工艺兼容等优点。

6、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

7、一种基于锗衬底的场效应晶体管磁传感器的制备方法，包括以下步骤：

8、(1)在锗晶圆衬底表面外延一层n型掺杂薄膜；

9、(2)在步骤(1)n型掺杂薄膜上做成两个重掺杂的p+型扩散区，分别作为源扩散区和漏扩散区，在源扩散区和漏扩散区上分别制备欧姆接触电极作为源极和漏极；

10、(3)在步骤(1)n型掺杂薄膜上、位于源扩散区和漏扩散区之间制备一层绝缘层，绝缘层上制备栅极接触电极，

11、使用时，利用漏极电流的变化测出霍尔输出压力的变化，从而得出外加磁场的改变。

12、优选的，步骤(1)中，外延的n型掺杂薄膜厚度为50～100nm。

13、优选的，步骤(2)中，重掺杂的p+型扩散区的厚度为10～50nm；掺杂浓度为1017～1020每立方厘米。

14、具体的，步骤(2)中，制备欧姆接触电极时使用的电极材料为铝。

15、步骤(3)中，绝缘层的厚度为10～100nm；绝缘层的材料为氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、氧化铝或氧化铪。

16、步骤(3)中，栅极接触电极的材料选自以下至少一种：镍、钨、铜。

17、本发明还提供了一种基于锗衬底的场效应晶体管磁传感器，由所述制备方法制备。

18、本发明采用高质量锗薄膜制备场效应晶体管进行磁传感应用器件，其工作原理为：在正常的运用情况下，场效应晶体管器件的源极和衬底连接在一起，并处于低电位。不论是增强型，还是耗尽型器件，场效应晶体管器件的漏源开启电流ids是控制电流。在垂直磁场的作用下，将在霍尔输出极上产生霍尔输出电压；对于增强型pmos霍尔器件来说，在漏源之间出现的p型反型层的厚度，即沟道厚度，只有几十至几百埃；对于耗尽型pmos霍尔器件来说，它的沟道厚度也不过几千埃。因此，mos霍尔片的厚度很小，灵敏度比较高，但功耗要小得多。

19、本发明还提供了所述基于锗衬底的场效应晶体管磁传感器在检测磁场中的应用。

20、本发明还提供了一种检测磁场的方法，使用所述基于锗衬底的场效应晶体管磁传感器，检测时，将源极和锗晶圆衬底连接在一起，并处于地电位，漏极和栅极接触电极分别连接电源，将所述场效应晶体管磁传感器与磁场垂直放置，利用漏极电流的变化测出霍尔输出压力的变化，从而得出外加磁场的改变。

21、本发明应用场景及特点：：(1)小型化：小型传感器可以工作在极端恶劣的环境下，并且只需要很少的保养和维护，对周围的环境影响也很小；(2)集成化：压力传感器已经越来越多的与其它测量用传感器集成以形成测量和控制系统。集成系统在过程控制和工厂自动化中可提高操作速度和效率；(3)智能化：由于集成化的出现，在集成电路中可添加一些微处理器，使得传感器具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能；(4)广泛化：压力传感器的另一个发展趋势是正从机械行业向其它领域扩展；(5)标准化：传感器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。

22、本发明的有益效果：本发明传感器具有以下优点：1)厚度很小，利用mos器件进行磁感应；2)器件尺寸小，有利于提高系统集成度；3)与集成电路制造工艺兼容，能够采用目前广泛使用的半导体工艺在芯片制造的同时进行传感器的集成；4)灵敏度高，锗的空穴迁移率高于传统硅基空穴迁移率，能够在高精度环境下使用。因此，本发明传感器在运动传感、智能医疗及汽车等多个领域具有广阔的应用前景。