传感器与智能时代 (14).pdf

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1、櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶DOI:1013290/jcnkibdtjs201808001August2018Semiconductor Technology Vol43 No8561基金项目:国家自然科学基金重点项目(61734002);四川省应用基础研究重大前沿项目(2017JY0002)通信作者:钟智勇，E-mail:zzyuestceducnGaAs 基霍尔传感器的研究进展摘要:霍尔传感器作为磁传感器的重要成员，广泛应用于汽车电子和无线通信等电子系统。与以第一代半导体材料硅、锗等为基底的霍尔传感器相比，GaAs 基霍尔传感器具有更高的磁场分辨率

2、、灵敏度和稍好的温度特性。概述了 GaAs 材料在霍尔传感器领域的优势及霍尔单元形状的研究进展;综述了采用外延工艺制备的单外延结构的 GaAs 基霍尔传感器和异质结构的 GaAs基霍尔传感器的研究进展;详细介绍了电压偏移消除技术的研究进展，包括结构的优化、正交对消补偿和旋转电流技术;最后对 GaAs 基霍尔传感器的发展趋势进行了展望。关键词:霍尔传感器;砷化镓(GaAs);异质结;磁场传感器;电压偏移消除技术中图分类号:TN304.23;TP212.41文献标识码:A文章编号:1003353X(2018)08056111esearch Progress of GaAs-Based Hall S

3、ensorDong Jianfang1，Peng Ting2，Gao Nengwu2，Jin Lichuan1，Zhong Zhiyong1(1 State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices，University of ElectronicScience and Technology of China，Chengdu 610054，China;2 Chengdu HiWafer SemiconductorCo.，Ltd.，Chengdu 610299，China)Abstract:As an impor

4、tant role of the magnetic sensor，Hall sensor is widely used in automotiveelectronics，wireless telecommunications and other electronic systems Compared with the Hall sensorbased on the first-generation semiconductor Si，Ge，etc，the GaAs-based Hall sensor has highermagnetic field resolution，higher sensi

5、tivity and better temperature characteristics The advantages ofGaAs materials in the field of Hall sensor and the research progress of the Hall element shape are summa-rized The research progress of GaAs-Based Hall sensor with a single epitaxial structure and the GaAs-based Hall sensor with a hetero

6、structure prepared by epitaxial process are reviewed The research progressof the voltage offset cancellation techniques is introduced in detail，including the structure optimization，orthogonal cancellation compensation and spinning current technique Finally，the development trend ofGaAs-based Hall sen

7、sor is prospectedKey words:Hall sensor;GaAs;heterojunction;magnetic sensor;voltage offset cancellation tech-niqueEEACC:2520D;25600引言磁传感器作为现代传感器产业的一个重要分支，每年有数以百万计的磁传感器用于各种应用1，在消费电子、工业自动化、汽车电子、医疗卫生系统23 等领域发挥着重要作用，无论是为董健方等:GaAs 基霍尔传感器的研究进展櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶562半导体技术第 43 卷第 8

8、 期2018 年 8 月国家经济建设还是国防建设都起着重要的作用。磁传感器的发展趋势是研制小尺寸、低成本、高灵敏度、高可靠性、低功耗、高信噪比和高温度稳定性的传感器。为了顺应这种发展趋势，近些年霍尔传感器发展迅速，大量应用于汽车电子和通信电子领域4，随着中国的汽车制造业和通信领域的快速发展，霍尔传感器芯片的年销售额将保持高速增长。目前大多数商用霍尔传感器都是以硅为基底的，其主要优点是成本低、体积小、与现代半导体工艺兼容性好等。随着化合物半导体的发展，高灵敏度(电流相关灵敏度大于 1 000 V/AT，电压相关灵敏度大于 0.1 V/VT)的霍尔传感器可以由III-V族化合物半导体制造，如砷化镓

9、(GaAs)、锑化铟(InSb)等，它们的载流子具有很高的迁移率，因此制备的霍尔传感器具有很高的灵敏度5，同时与硅基霍尔传感器相比，其具有稍好的温度稳定性;另一方面，随着第二代半导体的发展，一些采用异质结构的霍尔传感器具有更佳优异的性能6。本文先从霍尔传感器的材料和结构入手，概述了 GaAs 基霍尔传感器的优势和霍尔单元形状的研究进展，并介绍了采用外延工艺制备的 GaAs基霍尔传感器，包括单外延结构和异质结构的GaAs 基霍尔传感器，最后介绍了近些年霍尔传感器电压偏移消除技术的研究进展。1材料和结构1.1GaAs 基霍尔传感器的优势在外加磁场作用下，霍尔传感器的有源区厚度、偏置电流的大小和霍尔

10、系数将共同决定霍尔电压的大小，在偏置电流不变的前提下，提高霍尔电压可以提高霍尔传感器的灵敏度。经理论分析得出，霍尔传感器的最大霍尔电压受半导体最大耗散功率的限制7。假设霍尔平面允许的最大耗散功率为 Pmax，则霍尔平面可以产生的最大霍尔电压(VH，max)可表示为7 VH，max=B(PmaxrHwLt)12(nH)12(1)式中:B 为外加磁场;rH为霍尔散射因子;w 为有源区(霍尔平面)宽度;L 为有源区(霍尔平面)长度;t 为有源区(霍尔平面)厚度;n为电子迁移率;H为霍尔系数。因此在确定的最大耗散功率和确定的几何形状下，最大的霍尔电压取决于材料的电子迁移率和霍尔系数的乘积7。在霍尔传感

11、器的设计过程中，材料的选择需要折中考虑，为了达到尽可能高的霍尔电压，材料的电子迁移率和霍尔系数的乘积应该最大化。然而，在霍尔传感器磁场传感过程中为了实现高线性度和好的温度特性，材料又应该更多地呈现金属性8，需要通过重掺杂来增加载流子浓度，这将使霍尔系数降低，导致霍尔电压和灵敏度降低，而且由于载流子的散射，其迁移率会受到重掺杂的影响8。所以为了获得较高的霍尔电压，一个比较好的途径是提高材料的载流子迁移率。另一方面，具有高载流子迁移率的半导体材料能够产生大的霍尔角9，从而产生明显的霍尔效应，更适合霍尔效应的利用。表 1 列出了用于制造霍尔传感器的常用半导体的参数(典型值)1，表中:n 为电子浓度;

12、Eg为禁带宽度。表 1用于制造霍尔传感器的常用半导体1 Tab.1Widely used semiconductor for Hall sensor1 材料n/cm3n/(cm2V1s1)Eg/eVH/(cm3C1)Ge2410133 90006790 000Si2510151 3001122 500GaAs3010158 5001422 100InAs50101630 000036125InSb90101677 00001770Si 和 Ge 均为第一代半导体材料，Ge 的电子迁移率相对较低，由于它在室温下的电子浓度较低，高纯的材料具有大的霍尔系数，但材料的高纯是先决条件，且禁带宽度较窄，一

13、般不用作霍尔传感器的有 源 层，但 可 以 用 作 衬 底 材 料，2000 年，M.Behet 等人10 曾在 Ge 衬底上用分子束外延(MBE)生长 InAs/AlGaSb 异质结构作为霍尔传感器的有源层，制备出灵敏度很高的霍尔传感器。Si霍尔器件的优势在于工艺成熟，可以与信号处理电路很好地集成，形成霍尔 IC，被广泛应用于三维霍尔传感器，M.Blagojevic 等人11 提出的 Si 基三维霍尔传感系统，可以实现较为精确的三维磁场传感。但 Si 材料中的载流子迁移率相对较低，一般不能制备灵敏度很高的霍尔传感器，目前的 Si 基霍尔传感器电流相关灵敏度一般小于 1 000 V/AT。高灵

14、敏度的霍尔传感器可以用 InAs，InSb 或 GaAs来制备，InAs 是高灵敏度霍尔传感器的常用材料董健方等:GaAs 基霍尔传感器的研究进展櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶August2018Semiconductor Technology Vol43 No8563(例如 AKM 公司的 HQ 系列线性霍尔传感器12)，而 InSb 是超高灵敏度霍尔传感器的常用材料(例如AKM 公司的 HW 系列线性霍尔传感器12)，但它们的禁带宽度较小，所以温度特性较差。本征 GaAs 材料的禁带宽度比 Si 稍大，具有良好的温度特性(温度

15、系数的典型值为4104/K)7，但其电子迁移率比 Si 大很多，表 1 中，GaAs 的电子迁移率约为8 500 cm2V1s1，介于 Si(1 300 cm2V1s1)和 InAs(30 000 cm2V1s1)之间。因此，为了保证好的温度特性，而又实现相对高的灵敏度，GaAs 是 制 备 霍 尔 传 感 器 较 为 合 适 的 材 料。B.I.Avdochenko 等人13 在半绝缘 GaAs 上通过闪蒸外延生长 n 型 GaAs 作为有源层，再结合磁通聚集器，可以实现高灵敏度的磁场传感，能够检测低至百 nT 量级的微弱磁场;J.Jankowski 等人14 在晶向为100的 GaAs 衬

16、底上通过外延工艺生长厚度约为 1 m 的 n 型重掺杂(约 2101831018cm3)InSb 薄膜作为霍尔传感器的有源层，在 350 下退火 15 h，再在 300 下退火 24 h，并针对极端温度优化了传感器的外围封装，制备的霍尔传感器在极端温度下具有较好的稳定性，在270300 的温度()范围内输出的霍尔电压(VH)如图 1 所示，图中:Ibias为偏置电流，B2 和 B3 为在完全相同的退火条件下制备的 8 个霍尔单元中具有代表性的两个，但受重掺杂的影响，其电流相关灵敏度较低。100806040200-300-200-1000100200300兹/VH/mV-273.16（0 K）B

17、2霍尔传感器B3霍尔传感器B=400 mTIbias=40 mA图 1霍尔传感器在不同温度下的霍尔电压14 Fig.1Hall voltages of Hall sensors at different temperatures14 除此之外，GaAs 基霍尔传感器还具有较好的抗辐射性能，A.V.Gradoboev 等人15 采用气相外延、MBE 和离子注入工艺制备了多组不同掺杂的多层结构，作为霍尔传感器的有源层，在辐射能量为 1.41027105Gy 的伽马射线照射下测量霍尔传感器的伏安特性，发现该 GaAs 基霍尔传感器在辐射能量为 4.2105Gy 的伽马射线照射下，伏安特性基本不变，表

18、明 GaAs 基霍尔传感器具有较好的抗辐射性。1.2霍尔单元形状霍尔传感器根据霍尔平面与衬底的相对位置可以分为垂直霍尔传感器和水平霍尔传感器，其中水平霍尔传感器的霍尔平面与衬底平行且所能检测的外磁场垂直于衬底，而垂直霍尔传感器的霍尔平面与衬底垂直且所能检测的外磁场平行于衬底。由于异质结霍尔传感器在性能上有很大优势，所以 GaAs 基的霍尔传感器一般为水平结构。GaAs基水平霍尔传感器的尺寸通常约为 10 m10 m，以铋(Bi)为基板的霍尔传感器大小可以达到0.1 m0.1 m9。目前水平霍尔传感器有源区形状大多为圆形、矩形、八边形和十字形，如图 2所示，图中 h 和 wc分别为十字形分支的长

19、和宽，其中粗线部分 C 表示接触电极的位置。矩形有源区接触电极可以放置在有源区边缘中央，如图 2(a)的矩形所示，也可以放置在矩形的对角处，如图 2(b)的矩形。同理，十字形有源区的接触电极可以放置在十字形分支的末端，如图 2(d)的十字形所示，也可以放置在十字形结构除末端以外的边缘处，如图 2(e)的十字形所示。在设计中为了减小输出信号的电压偏移，霍尔传感器通常设计成中心对称结构，在这样的结构中，接触电极既可以作为偏置输入电极也可以作为信号输出电极。CCCChwcCCCChwcCCCCCCCCCCCC（e）十字形（d）十字形（c）八边形（b）矩形（a）矩形图 2水平霍尔传感器有源区常用形状示

20、意图Fig.2Widely used shapes diagrams of horizontal Hallsensor active region董健方等:GaAs 基霍尔传感器的研究进展櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶564半导体技术第 43 卷第 8 期2018 年 8 月通常情况下，霍尔电压可以表示为VH=HIbiasBt(2)而这样的关系式成立的前提条件为霍尔平面无限长(Lw)。实际的器件为有限尺寸，有限尺寸霍尔传感器的霍尔电压需要进行“几何校正”，表示为16 VH=VHGH(Lw，H)(3)式中:VH为理想无限长霍尔平面的

21、霍尔电压;GH为几何校正因子，是形状和霍尔角 H的函数，0GH1。W.Versnel1718 在 20 世纪 80 年代初期对有限尺寸水平霍尔传感器的几何校正进行了大量研究，提出了圆形霍尔平面几何校正因子的计算方法，之后 W.Versnel19 又通过保角变换将其他形状的霍尔平面映射到圆域，分别求出了图 2 中矩形、八边 形 和 十 字 形 霍 尔 平 面 的 几 何 校 正 因 子。W.Versnel 计算得到的几何校正因子可以表示为19 GH(，H)1g()Htan H(4)式中:为在计算几何校正因子的一个中间量，仅表示接触电极的长度与整个霍尔平面周长的比值，=c/b，其中 c 为所有接触

22、电极的总长度，b 为霍尔平面有源区的周长;圆形和图 2 中(a)，(b)，(c)，(d)和(e)对应形状的 g()总结在表 2 中，g()为计算几何校正因子的一个中间式，不同形状的霍尔平面通过保角变换得到不同的 g()。表 2几何校正因子和适用条件1718 Tab.2Geometric correction factors and operationconditions1718 形状g()误差在 05%以下的条件圆形06360矩形10620矩形069620八边形194(1+0414 2)20十字形1045ehwchwc十字形7761(hwc)2(1+2hwc)2hwc0从表 2 可以看出，要保

23、证几何校正因子计算的准确性需要霍尔平面的接触电极无限小，这种条件在实际应用中很难达到，之后.S.Popovic20 修正了部分条件，最终，表 2 对应的各种形状的几何校正因子和部分修正后的条件见表 3。表 3修正后的几何校正因子和条件20 Tab.3Modified geometric correction factors and conditions20 形状g()误差在 05%以下的条件圆形0636031矩形106203矩形06962059八边形194(1+0414 2)2073十字形1045ehwcwc2h038十字形7761(hwc)2(1+2hwc)2几何校正因子在霍尔传感器的设计中

24、具有重要的指导意义，研究表明在相近的几何尺寸下，十字形霍尔平面(如图 2(d)的几何校正因子比其他几何形状更趋近于 12，且以十字形霍尔平面为有源区的霍尔传感器线性度较好2，这对于磁场测量是十分有利的，使十字形霍尔平面成为当前霍尔传感器设计最为流行的一种形式。C.Wouters 等人21 采用十字形水平霍尔结构，其几何校正因子接近于 1，在半绝缘 GaAs 基板上外延 Si 掺杂的GaAs 作为有源层，将 6 块这样的霍尔单元进行正交拼装，制备了一种新型的三维霍尔传感器，实现了较高精确度的三维磁场传感。水平霍尔传感器的物理模型是霍尔传感器领域的一大研究热点，有一批研究者致力于构建一个准确的物理

25、模型来预测霍尔传感器的性能，达到指导设计的目的。大多物理模型是在类似于惠斯通电桥的模型上加以改进，M.Madec 等人2223 提出了一种新的物理模型，在传统惠斯通电桥模型的基础上增加了 4 个电压源和 2 个电阻，且考虑了由于空间电荷引起的非线性内阻、电压偏移和温度的影响等，用 Verilog-A 进 行 物 理 模 型 仿 真，并 采 用0.35 m的 CMOS 工艺制备了器件进行对比，发现物理模型仿真结果和实验结果之间误差小于 1%，该物理模型的优势在于简单，且可以精确地预测输出的霍尔电压。H.Chae24 提出了一种类似的物理模型，但只包含两个电压源，且优化了电阻模型，采用 0.18

26、m 的 CMOS 工艺制备器件并与模型仿真结果进行对比，其误差也小于 1%。垂直结构的霍尔传感器是由.S.Popovic25 在董健方等:GaAs 基霍尔传感器的研究进展櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶August2018Semiconductor Technology Vol43 No856520 世纪 80 年代提出的。水平霍尔传感器大多数载流子在有源区内属于二维“运动”，即只在平行于霍尔平面的方向运动，而垂直霍尔传感器的载流子除了在平行于霍尔平面的方向运动，还在垂直于霍尔平面的方向发生移动。垂直霍尔传感器相比于水平结构一大优势

27、在于节省横向面积;另一大优势是可以很方便地构造二维或三维磁场传感器26。但目前 GaAs 基霍尔传感器很少使用垂直结构，一般采用异质结多层结构来制备性能更好的水平霍尔传感器，但如果要设计基于 GaAs 基的三维霍尔传感器，可以借鉴这种垂直结构。2采用外延工艺制备的 GaAs 基霍尔传感器目前 GaAs 基霍尔传感器主要采用外延工艺制备，且大部分采用 MBE 工艺。与其他外延技术相比，采用 MBE 工艺生长具有很多明显的优势，它可以在较低温度下大面积生长非常薄(原子量级)、均匀且表面平整的薄膜27，并且其厚度、化学组分和掺杂都严格可控，由于生长温度低，减弱了不利的热激活(如衬底杂质的扩散)和由于

28、晶格失配在界面引起的热缺陷等。通常在半绝缘GaAs 基片上通过外延工艺生长 n 型 GaAs 或者其他材料的薄膜作为有源层，再通过刻蚀工艺制备出有源区的形状。在半绝缘 GaAs 基片上外延 GaAs 或者其他材料薄膜制备的霍尔传感器有很多优点:外延层作为有源层，外延层为单晶结构，降低了非对称带来的电压偏移;外延层厚度均匀，且厚度严格可控，便于优化器件性能;大幅度降低了有源层厚度，提高了霍尔电压和灵敏度;半绝缘 GaAs 基片为外延层提供了良好的机械支撑等。在实际工艺中为了形成重掺杂 n 型区(或 p 型区)和好的欧姆接触，往往还会用到离子注入，A.V.Gradoboev 等人15 在研究伽马射

29、线对 GaAs 基霍尔传感器的影响时，采用离子注入工艺制备了 n+-n-ni多层结构的霍尔传感器作为对照组，n+为 n 型重掺杂 GaAs，n为一般掺杂的 n 型 GaAs，ni为高纯 GaAs。GaAs基霍尔传感器根据外延层的结构可以将其归纳为单外延层结构的 GaAs 基霍尔传感器和异质结构的GaAs 基霍尔传感器。2.1单外延层结构的 GaAs 基霍尔传感器单外延层结构的 GaAs 基霍尔传感器并不是指外延层仅有一层，也可以是多层结构，但产生霍尔效应用于磁场传感的仅为其中一层，其他层材料不提供载流子，仅起到机械支撑、保护、钝化等作用，且没有采用异质结构。这一类霍尔传感器工艺较为简单(类似于

30、 MESFET 工艺)，在半绝缘GaAs 衬底上生长薄膜作为有源层，再通过刻蚀工艺制备具有一定形状的有源区。有源区薄膜的材料可以总结为两类，一类是 GaAs，用于制备具有良好温度稳定性和抗辐射性的霍尔传感器，例如前文提到的 A.V.Gradoboev 等人15 研究伽马射线对GaAs 基霍尔传感器的影响时，其外延层就为GaAs;另一类是以 InSb 和 InAs 等为代表的具有高电子迁移率的材料，用于制备高灵敏度的霍尔传感器，例如 O.Kazakova 等人28 和 L.D.Michele 等人29 在晶向为001的半绝缘 GaAs 衬底上通过MBE 生长厚度约为 300 nm 的 InSb

31、薄膜作为霍尔传感器的有源层，刻蚀出十字形状的有源区，且在表面生长了一层 Si 作为有源区的保护层，以该霍尔单元为基础，结合了直流/交流相敏磁检测，最终制备的霍尔传感系统可以检测 nT 量级的微弱磁场。目前 Si 基的霍尔传感器通常只能检测低至 T 量级的磁场，而采用这种单外延层结构实现 nT 量级磁场检测的商用 GaAs 基霍尔传 感 器 也 不 多 见。M.Oszwaldowski 等人3031 为了研究 GaAs 基霍尔传感器在低温(1.8280 K)条件下的性能，在晶向为100的半绝缘 GaAs 衬底上，采用闪蒸外延工艺生长 n 型 InSb 薄膜作为有源层，研究发现 n 型InSb/G

32、aAs 单外延结构的霍尔传感器非常适合这种低温的应用，在极低温度和一定温度范围内，当外加磁场为 0.114 T 时仍然具有很好的线性度和温度系数。2.2异质结构的 GaAs 基霍尔传感器与单外延层结构的 GaAs 基霍尔传感器相比，异质结构的 GaAs 基霍尔传感器灵敏度更高，能够检测的磁场下限更低(通常为 nT 量级)。目前绝大部分商用和前沿领域所使用的 GaAs 基霍尔传感器一般采用异质结构，例如扫描霍尔探针显微镜(SHPM)3233 等。GaAs 基霍尔传感器的一个典型具有异质结的外延结构如图 3 所示，从下往上依次为半绝缘 GaAs 衬底、缓冲层、沟道层、隔离层、支撑层和帽层，沟道层一

33、般由窄禁带材料 InGaAs制备，在沟道层上方是由宽禁带材料 AlGaAs 制备董健方等:GaAs 基霍尔传感器的研究进展櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶566半导体技术第 43 卷第 8 期2018 年 8 月的隔离层和支撑层，沟道层中靠近隔离层一侧的表面附近将形成量子阱，为了给沟道提供载流子，在AlGaAs 材料靠近沟道一侧进行 掺杂34，且隔离层的厚度一般非常薄(纳米量级)，多层结构作为霍尔传感器的有源层，再通过刻蚀工艺制备一定形状的有源区(大多数采用十字形结构)。主要采用外延 工 艺，与 高 电 子 迁 移 率 晶 体 管(

34、HEMT/PHEMT)工艺类似。半绝缘衬底（GaAs）缓冲层（GaAs）沟道层（InGaAs）隔离层（AlGaAs）掺杂支撑层（AlGaAs）帽层（GaAs）图 3异质结霍尔传感器的外延层结构示意图Fig.3Schematic diagram of the epitaxial layer structure ofheterojunction Hall sensor早些年的 GaAs 基异质结霍尔传感器沟道层采用 GaAs 材料35，由于 AlGaAs 与 GaAs 的禁带宽度差别不大，不能形成很深的量子阱，采用 AlGaAs/GaAs 异质结构制备的霍尔传感器性能并不是十分优异，需要在结构上进

35、行优化，例如 H.Sghaier 等人36 曾提出一个优化的 AlGaAs/GaAs 异质结霍尔传感器，外延层结构如图 4 所示，增加了 AlGaAs隔离层和支撑层的厚度，并降低了靠近 Si-掺杂两侧隔离层和支撑层 AlGaAs 中 Al 元素的摩尔分数(低于两侧)，可以在一定程度上提高霍尔传感器的灵敏度，使其能够检测更低的磁场。GaAs缓冲层GaAs沟道层Al0.33Ga0.67AsAlxGa1-xAsAlxGa1-xAsAl0.33Ga0.67As隔离层Si鄄啄掺杂支撑层GaAs帽层图 4改进的 AlGaAs/GaAs 异质结构示意图36 Fig.4Schematic diagram of

36、 the improved AlGaAs/GaAsheterostructure36 目前异质结构的霍尔传感器通常采用 AlGaAs/InGaAs/GaAs 外延结构(图 3)，它能形成更深的量子阱，从而可以更加有效地束缚电子，实现更高的灵敏度。T.embert37 提出了一种用于高功率电子电力系统中电流检测的异质结霍尔传感器，采用固态源分子束外延在半绝缘 GaAs 基板上生长多层结构作为有源层，与传统的 AlGaAs/InGaAs/GaAs外延结构(图 3)不同的是，他们在缓冲层中央加了两层较薄的 AlGaAs/GaAs 结构，减小了晶格缺陷，有利于生长更高质量的沟道层，用湿法刻蚀制备十字形

37、有源区，并用电子束蒸发制备欧姆接触电极，且对接触电极进行了优化，制备的霍尔传感器能够检测低至 54 nT 的微弱磁场。此外，采用异质结构制备的三维霍尔传感器也具有十分优异的性能，M.T.Todaro 等人38 提出了一种新型的 GaAs 基三维霍尔传感器，异质结构使用分子束外延进行生长，霍尔传感器整体结构如图5 所示，其由 3 块相互正交的十字形霍尔平面组成，为了制备两块垂直于衬底的霍尔平面，与传统的 AlGaAs/InGaAs/GaAs 外延结构相比，在缓冲层与半绝缘 GaAs 衬底之间加入了厚度为 75 nm 的AlAs 牺牲层和厚度为 270 nm 的由 GaAs 和 InGaAs组成的

38、应力释放层，制备的霍尔传感器可以实现较高精度的三维磁场传感，且其电流相关灵敏度大于1 000 V/AT。图 5三维霍尔传感器整体结构38 Fig.5Overall structure of 3D Hall sensor38 由于现代半导体工艺技术的快速发展，异质结霍尔传感器的尺寸在不断缩小，可以实现具有高集成度 的 霍 尔 传 感 系 统。A.Segovia 等 人39 采 用AlGaAs/InGaAs/GaAs 异质结构制备的霍尔传感器，十字形霍尔单元的最小宽度仅为 1 m，电流相关灵敏度为 1 042 V/AT，他们指出霍尔传感器的噪声强度与有源区的面积呈正比39，所以研制小尺寸的霍尔传感

39、器对于弱磁场传感是十分有利的。M.Sadeghi 等人5 提出的线性霍尔集成电路将十字形 AlGaAs/InGaAs/GaAs 异质结构的霍尔传感器与外围电路进行集成，有效抑制了 1/f 噪声，实现了董健方等:GaAs 基霍尔传感器的研究进展櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶August2018Semiconductor Technology Vol43 No8567具有高灵敏度的磁场传感，最低能够检测低至177 nT的微弱磁场。L.Bouzaiene 等人40 曾提出当外延结构是在晶向为111的 GaAs 衬底上生长得到时，由于压电

40、效应产生的压电场可以在一定程度上增加 InGaAs 沟道中的电子浓度，考虑压电场对载流子浓度的影响有助于精确控制沟道层的载流子浓度，这对于制备性能更加优异的异质结霍尔传感器具有一定的意义。3电压偏移消除技术霍尔传感器电压偏移的来源可以分为两类，一类是由半导体外部引起的，另一类是由半导体内部引起的。由于半导体工艺的限制而产生的偏移可以归为外部原因，它们通常来源于工艺误差，例如掩模版未对准、刻蚀的非均匀性产生的几何误差、芯片封装、半导体不同层具有不同的热膨胀系数引起的应力等，都会使霍尔电压产生偏移。而引起电压偏移的内部原因可以总结为一系列温度效应，例如焦耳热41、塞贝克效应42 和帕尔帖效应43

41、等。因为各种外部原因和内部原因产生的电压偏移可以用惠斯通电桥来解释，等效为电阻的改变，等效电路如图 6 所示，图中 V1和 V2为输出端的电势，在无外加磁场时，电压偏移(Voffset)可以表示为Voffset=Ibias14231+2+3+4(5)式中 1，2，3和 4分别为霍尔传感器的等效电阻。从式(5)可以看出，当 1=2，3=4时，电压偏移为零，否则不为零，在霍尔器件完全对称的情况下，1=2=3=4应该成立。霍尔传感器的发展过程中，消除或减弱电压偏移是一大研究热点，其方法多种多样，目前使用最多的可以分为两类，一类是正交对消补偿，另一类是旋转电流技R4R3V2R2R1V1Ibias图 6

42、霍尔传感器等效模型Fig.6Equivalent model of Hall sensor术。除了上述两种方法，对结构进行适当优化，也可以在一定程度上降低霍尔电压的偏移。3.1霍尔传感器结构优化对霍尔传感器结构进行优化是早期设计中消除电压偏移的常用方法，这对减小霍尔传感器的电压偏移是较为有效的，包括优化霍尔单元、接触电极和芯片封装应力等。在霍尔传感器设计中，不仅要求霍尔平面结构的对称，接触电极位置的对称也影响着电压偏移的大小，在霍尔平面不断变换位置寻找电压偏移为零时接触电极的最佳位置，这是早期使用的方法，在霍尔传感器设计中使用较多的微调技术就是根据此原理发展起来的。M.Kachniarz 和O

43、.Petruk 等人4445 提出了一种优化接触电极的新方法，电极优化模型如图 7 所示，其中 A，B，C和 D 分别表示十字形霍尔平面的 4 个分支，在 B和 D 之间施加偏置电流 Ibias，A 和 C 之间测量霍尔电压，将十字形霍尔单元的每一个电极变为由多个小的接触电极组成，m1 m5表示 A 分支末端的 5个小的接触电极，m1 m5表示 C 分支末端的 5 个小的接触电极，在霍尔电压输出端选择只接上其中一部分电极，可以找到电压偏移为零或最小的最合适的“接法”，将大大降低电压偏移，他们用实验和有限元分析证明了此方法的有效性。m5m4m3m2m1CDBIbiasAm5m4m3m2m1图 7

44、电极优化模型4445 Fig.7Electrode optimization model4445 3.2正交对消补偿正交对消补偿是用一对完全相同的霍尔平面平行放置，使偏置电流正交，偏置电流的正交减小了两块霍尔平面之间的相互耦合，两块霍尔平面的输出信号经过加权平均，便消除了存在的电压偏移7，原理如图 8 所示，图 8(a)中 I+和 I分别为偏置电流的正负端，V+和 V分别为产生的霍尔电压的正负端，图 8(b)中 C1C4分别表示霍尔董健方等:GaAs 基霍尔传感器的研究进展櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶568半导体技术第 43 卷

45、第 8 期2018 年 8 月传感器的 4 个接触电极，V1和 V2分别为上层 C4端口和 C2端口的电势，V3和 V4分别为下层 C4端口和 C2端口的电势。上层C2V4IbiasV3V2IbiasV1I-V2-I+V2+上层下层I-V1+I+V1-BC3C4C1C2C1C3C4下层B（b）详细原理图（a）俯视图图 8正交对消补偿俯视图和原理图Fig.8Principle and top view diagrams of orthogonalcancellation compensation图 8 中下层和上层霍尔平面输出的霍尔电压分别为Vout1=VHall+Voffset(6)Vout2

46、=VHallVoffset(7)式中:Vout1为下层输出的霍尔电压(V1V2);Vout2为上层输出的霍尔电压(V4V3);VHall为无偏移的霍尔电压。存在于两层输出端的电压偏移(Voffset)极性相反，经过加权平均可以得到无偏移的霍尔电压 VHall。在此方法的基础上，近些年有一些研究者提出 了 更 新 颖 的 双 霍 尔 平 面 对 消 补 偿 结 构，M.Oszwaldowski 等人46 提出了一种双霍尔传感器结构(DHSS)，如图 9 所示，两个不同偏置电流Ibias1和 Ibias2的正负极分别位于两块不同的霍尔平面H1和 H2上，且将霍尔电压输出端相连，外延层采用 InSb

47、 薄膜，实验结果表明，采用这种新型对消补偿结构可以将偏移电压降低 3 个数量级左右，最小的电压偏移低至 10 V。他们还研究了温度对该DHSS 的影响47，结果表明用该结构来消除电压偏移具有较低的温度依赖性，在 2560 内都可以有效地降低电压偏移。Ibias2Ibias1HH1V图 9双霍尔传感器结构示意图46 Fig.9Structure schematic diagram of double Hall sensor46 但这种方法的缺点在于假设了两块霍尔平面是完全相同的，只有保证霍尔平面存在的电压偏移完全相同，才能将其很好地消除，实际情况中由于工艺等诸多因素的限制，要制备两块完全相同的霍

48、尔平面是不容易的。3.3旋转电流技术以上方法在实际应用中都存在诸多限制，当前使用最多的是旋转电流技术。将霍尔器件的输出端和偏置端进行周期性的交换，如图 10 所示，交换输出端和偏置端可以用相位变换器实现，在不同相位(14)时输出端的电压偏移可以表示为Voffset(1=0)=Vo(8)Voffset(2=2)=Vo(9)Voffset(3=)=Vo(10)Voffset(4=32)=Vo(11)式中 Vo表示霍尔传感器电压偏移的绝对值。采用这种四相位电流旋转，输出端的电压将被调制成 2倍旋转频率的周期信号，将不同相位的输出电压进行采样，再通过加权平均即可消除电压偏移。然而，对于一般的半导体工艺

49、来说，n 阱或者 p 阱的电阻是各向异性的，即传感器的偏移也取决于偏置电流的方向，因此，四相位旋转往往还存在较大的R2R4R1R3V1V2IbiasR1R2R3R4V1V2IbiasR3R1R4R2V1V2IbiasR4R3R2R1V1V2Ibias（d）3仔/2相位时（c）仔相位时（b）仔/2相位时（a）0相位时图 10旋转电流技术原理图Fig.10Principle diagrams of spinning current technology董健方等:GaAs 基霍尔传感器的研究进展櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶August

50、2018Semiconductor Technology Vol43 No8569残余偏移，可以通过使用八相位或者更多相位旋转来进一步减小残余偏移1。水平霍尔传感器采用旋转电流技术可以将残余偏移降低到 2 3 T48(残余偏移的等效磁场)。将输出电压转变为数字信号进行处理，可以提高信号处理效率及信噪比，完整的旋转电流系统包括放 大 器、滤 波 器、模 数 转 换 器(ADC)等。V.Mosser 等人49 设计的旋转电流系统集成了模拟信号和数字信号处理模块，不仅降低了电压偏移，还有效抑制了低频 1/f 噪声，最低可以检测 30 nT的低频磁场(1 Hz)。采用旋转电流技术，将输出电压调制成具有