DE2617481A1

DE2617481A1 - Halleffekt-bauelement

Info

Publication number: DE2617481A1
Application number: DE19762617481
Authority: DE
Inventors: Albert Watson Vinal
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-05-14
Filing date: 1976-04-22
Publication date: 1976-11-25
Also published as: SE7604389L; ES447767A1; GB1489738A; JPS51140494A; CA1061011A; FR2311314B1; CH597693A5; SU733513A3; US3997909A; DE2617481C2; JPS5332236B2; NL7605136A; IT1064186B; FR2311314A1; BR7603071A; SE404555B

Description

Böblingen, den 20. April 1976 bu~fr

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: · Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: RA 974 014

Halleffekt-Bauelement

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halleffekt-Bauelement gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Magnetköpfe mit Halleffekt-Bauelementen sind allgemein bekannt. Derartige Halleffekt-Bauslernente erzeugen im allgemeinen eine Hallspannung mit einem Ausgangswert von bestenfalls 10 bis 20 mV pro Kilogauss, wie es z.B. beschrieben in IEEE Transactions on Electronic Devices, Vol. ED-16, No. 1, Januar 1969, Seiten 35 bis 39 ist. Hier wird ein MOS Siliziummagnetfeldumsetzer hoher Empfindlichkeit beschrieben. Die Empfindlichkeit dieses Bauelementes ergibt eine Ladungsträgerbeweglichkeit in der Grössenord-

nung von 116 cm /Vs. Die Ausgangsempfindlichkeit an den Hallanschlüssen liegt in der Grössenordnung von 10 mV pro Kilogauss. Es wird in dem Artikel ausserdem festgestellt, dass man für die Hall-Beweglichkeit bestenfalls den theoretischen Wert von 150 cm /

60984870589

Vs erreichen kann. Das an die verschiedenen, in diesem Artikel erwähnten Bauelemente angelegte Feld beträgt ungefähr 180 Volt/ cm.

Ein anderes Halleffekt-Bauelement, und zwar in T-Form, ist in der üS-Patentschrift Nr. 3 114 009 beschrieben. Andere Patentschriften die Halleffekt-Bauelemente zeigen, sind die US-Patentsehriften Nr. 3 715 522 und 3 852 802. Ein weiterer Typ eines Halleffekt-Bauelementes in integrierter Schaltungsbauweise ist im "IBM Technical Disclousure Bulletin", Vol. 17. No. 7, Dezember 1974, Seiten 1895 und 1896, gezeigt.

Neben vielen anderen Beschreibungen dieser Art v/erden die oben zitierten als für den Stand der Technik repräsentativ gehalten und als Basis vorliegender Erfindung angesehen. Ein allgemein bekannter und hinreichend beachteter Effekt ist der, dass bei Erhöhung der Steuerspannung und damit des angelegten elektrischen Feldes die Beweglichkeit der Ladungsträger im Hallplättchen abnimmt, wobei die Ursachen hierfür noch nicht vollständig bekannt sind. Die Änderungen der Trägerbeweglichkeit v/erden entweder dem längs dem Kanal in FET-Ausführung einwirkenden elektrischen Feld oder dem senkrecht zum Kanal verlaufenden elektrischen Feld oder beiden zugleich zugeschrieben. Eine zufriedenstellende theoretische Erklärung für diesen Effekt ist wie gesagt noch nicht gefunden,

RA 974 014

809848/0589

■ - 3 -

obgleich empirische Lösungen vorgeschlagen sind. Festgestellt ist lediglich, dass bei Feldstärkeerhöhung ab einer bestimmten an das Hallplättchen angelegten elektrischen Feldstärke die Elektronenbeweglichkeit gegenüber dem Wert bei niedrigem Anregungsfeld von

annähernd 115 cm /Vs abzuweichen und abzunehmen beginnt. Das elektrische Feld, bei dem diese Erscheinung für Elektronen auftritt,

4
liegt in der Grössenordnung von 10 Volt/cm. (Siehe: Cobbold, "Theory in Applications of Field Effect Transistors", Wiley Interscience, N.Y. 1970). Siehe auch IEEE Trans, on Electronic Devices, Vol. ED-19., Seiten 681 bis 690, Mai 1972 und IEEE Transactions on Electron Devices, ED-14 Vol. 37, Januar 1967 und IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED--12, Seiten 248 bis 254, Mai 1965, wo klar gezeigt ist, dass die Elektronenbeweglichkeit oder die Ladungsträgerbeweglichkeit bei Halleffekt-Bauelementen bei ange-

4 legten Feldern in der Grössenordnung von 10 Volt/cm abzufallen beginnt, obwohl wie gesagt,' dieser Vorgang nicht vollständig verstanden wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin _r ein Halleffekt-Bauelement bereitzustellen, das bei hoher Ladungsträgerbeweglichkeit eine vorteilhafte Anwendung-zur Magnetfluss-- Magnetfeldabfühlung, wie beispielsweise bei Magnetköpfen gestattet.

974 014 60984 8/058 9

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst, wie im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben.

Unter solchen Voraussetzungen lassen sich in vorteilhafter Weise Signaländerungen bzw. Signalspannungen erzielen, die um eine Grössenordnung höher liegen, als sie bisher erreicht worden sind und zwar etwa ein bis zwei Volt pro Kilogauss.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Mit Hilfe einer Ausführungsbeispielsbeschreibung wird die Erfindung an Hand unten aufgeführter Zeichnungen im einzelnen erläutert

Es zeigen:

Fig. 1

Fig. 2

in schematischer Weise ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,

ein Halleffekt-Bauelernent gemüss der Erfindung in einer beispielhaften Betriebsschaltungsart,

RA 974 014

60984 8/0589

Fig. 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfin

dung zur vorteilhaften Kompensation der in Halleffekt-Bauelementen auftretenden Verlagerungsspannung ,

Fig. 4 ein Diagramm der Ladungsträgerbeweglichkeit als

Funktion des Quadratflächenwiderstandes in Ohm, wie er bei verschiedenen Dotierungstiefen in einem Halbleiter vorliegt.

;Fig. 5 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfin-

dung in integrierter Schaltungstechnik und zwar in ähnlicher Form wie in Fig. 3 gezeigt,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Ladungsträger

geschwindigkeit, in Abhängigkeit von der Stärke des angelegten elektrischen Feldes,

Fig. 7 ein Schema zur Erläuterung der Arbeitsweise der

Erfindung ohne angelegtes Magnetfeld und

Fig. 8 ein Schema zur Erläuterung der Arbeitsweise der

Erfindung bei angelegtem Magnetfeld.

°⁴ 609848/0589

In Fig. 1 ist ein Schema eines Ausführungsbeispieles der Erfindung gezeigt. Ein Hallplättchen 1 hat die Elektroden 2 und 3 für die daran anzulegende Steuerspannung. Eine einpolig geerdete ' SteuerSpannungsquelle ist beispielsweise mit der Elektrode 2 ver- j ; bunden, während die Elektrode 3 an Erde liegt. Es besteht dann zwischen den Elektroden 2 und 3 ein elektrisches Feld E. Nimmt man

; an, dass das Hallplättchen 1. über seiner Länge einen gleichmässig ι verteilten Widerstand besitzt, so lässt sich das elektrische Potential an irgendeinem Punkt im Hallplättchen 1 leicht im ;Verhältnis zur Steuerspannung ableiten. Ein Vorsprung 4 des HaIl- :plättchens 1 mit einem Hallanschluss liegt darstellungsgemass an

;einer Stelle zwischen den Elektroden 2 und 3. Die sich ergeben-

!de Hallspannung, auf Erdpotential bezogen, ist ebenfalls angedeu- !tet.

RA 974 014

609848/0589

Völlig unerwartet wurde festgestellt, dass die Signalausgangsspannung am Abfühlkontakt 4 ungefähr 1 oder 2 Grössenordnungen höher liegt als bei den besten bisher bekannten Hallelementen, wenn die spezifische Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers 1 innerhalb bestimmter Mindestbereiche und das elektrische Feld zwischen den Anschlüssen 2 und 3 auf ausreichender Höhe gehalten werden. Das zeigt, dass eine Ladungsträgerbeweglichkeit erreicht werden kann, die sich den Beweglichkeitswerten massiven Halbleitermaterials nähert. Die Arbeitsweise des Elementes, wie es in einer der Fign. 1 bis 5 gezeigt ist, wird hier zusammen mit einer Ableitung der Formeln besprochen, welche die zugehörigen physikalischen Vorgänge beschreiben.

Das Grundprinzip der Hallelemente scheint darin zu liegen, dass die Lorentzablenkung geladener Träger eine Hall-Spannung ergibt. Fig. 7 zeigt schematisch die Grundstruktur eines erfindungsgemässen Elementes, in der eine Spannungsquelle an die Kontakte 2 und 3 angeschlossen ist, die an gegenüberliegenden Kanten eines Körpers aus Halbleitermaterial 1 angeordnet sind. Eine Sonde oder ein Kontaktpunkt 4 liegt zwischen den Kontakten 2 und 3 auf dem Körper 1. Der Abstand

RA9-74-014 6 0 9 8 4 87^589

in der Länge L des Körpers 1, an dem die Sonde 4 angeschlossen ist, wird mit X bezeichnet, und die Spannung V„ zwischen dem Kontaktpunkt 4 und Erde ist die zu überwachende Ausgangsspannung. Die Breite des Körpers 1 ist W, und das elektrische Feld E existiert zwischen den Kontakten Z und 3 über der Länge L. Nimmt man einen gleichförmigen spezifischen Widerstand des Körpers 1 zwischen den Kontakten Z und 3 an, dann ist das Spannungspotential an einem Punkt X der Länge L proportional dem Abstand von der Quelle V . Eine Stromdichte J von fliessenden Ladungsträgern besteht gemäss Darstellung in Fig. 7.im Körper 1. In Fig. 7 zeigen die verschiedenen gestrichelten vertikalen Linien die Aequipotentiallinien im Körper 1 an. In dem in Fig. 7 gezeigten Zustand wurde kein Magnetfeld B am Halbleiterkörper angelegt. Der Fühler spricht aber auf senkrecht auf seine Fläche gerichtete magnetische Felder beider Polaritäten an.

Fig. 8 gibt im wesentlichen die Fig. 7 wieder, jedoch ist hier ein Magnetfeld B in die Ebene des Papiers gerichtet, was durch das X_R im Körperteil der Fig. 8 angezeigt ist. Der Effekt besteht darin, die Aequipotentiallinien so zu

RA9-74-014 _i - 8 -

; " 609848/0 589

drehen, dass ihre Enden um eine Strecke S gegenüber der ursprünglichen vertikalen in Fig. 7 gezeigten Lage verlagert oder versetzt sind. Dieser Drehwinkel ist ausgedrückt als Θ, oder Hallwinkel der Drehung, wie er in Fig. 8 gezeigt ist. Aus einem Vergleich der Fign: 7 und 8 geht klar hervor, dass die Drehung der Aequipotentiallinien innerhalb der Halbleiterplatte durch die Einführung eines magnetischen Feldes bewirkt wurde, dessen Richtung senkrecht zur Oberfläche der Platte 1 verläuft. Die nachfolgende Gleichung (1) stellt einen Ausdruck der Spannung V„ dar, gemessen zwischen der Sonde 4 und Erde, wie es in den Fign. 7 und gezeigt ist.

Vv[i⁽i) ■ (υ

Die obige Gleichung (1) basiert auf der Annahme, dass der spezifische Widerstand des Körpers 1 auf der ganzen Länge derselbe ist und dass die Spannung V„ an jedem Punkt eine Funktion des Abstandes in der Länge L (der τ- Teil der Gleichung (I)) und einer Signalkomponente S ist, die durch die Drehung der Aequipotentiallinien nach Darstellung in Fig. 8 herbeigeführt wird (der γ Teil der Gleichung (I)).

RA9-74-014 - 9 -

• 609848/0589

Der Ausdruck S in Gleichung (1) ist eine Funktion der IVinkeldrehung der Aequipotentiallinien in Fig. 8, die sich aus dem Anlegen eines Magnetfeldes der Dichte B normal zur Plattenoberfläche 1 ergibt. Die nachfolgende Gleichung (2) ergibt S ausgedrückt durch den Drehwinkel Θ, , die ^:Plattenbreite W, die Flussdichte B und die Ladungsträgerbeweglichkeit μ.

tg (e_h) = ψ - μΒ (2)

Löst man die obige Gleichung (2) nach S auf und setzt diesen Wert in die Gleichung (1) ein, so ergibt sich die nachfolgende Gleichung (3):

^V0 s . L

Die Gleichung (3) ist der fundamentale Ausdruck für das Potential, das an der Sonde 4 gemessen wird, die in einem Abstand X vom Erdanschluss 3 am Körper 1 des Fühlers liegt. Die Gleichung (3) gibt dieses Potential an als eine Funktion der Trägerbeweglichkeit μ, der Magnetflussdichte B und der Plattenform ■:-, sowie der Klemmenspannung V . Die Ausgangs-

L· S

spannung V_n enthält zwei Ausdrücke. Der Ausdruck V ·γ stellt

RA9-74-014 - 10 -

■ 609848/0589

eine Verlagerungsgleichspannung an der Sonde 4 dar, die mittels einer Spannung vom Wert V~, abgegriffen v/ie Fig. 2 zeigt durch ein einstellbares Potentiometer R an der Spannung V , kompensiert werden kann. Das bevorzugte Verfahren zur Kompensation der Verlagerungsspannung ist in der abgeglichenen, doppelt T-förmigen Fühlerstruktur der Fig. 3 gezeigt, die später beschrieben wird. Das Ausgangssignal der in Fig. 3 gezeigten Struktur ist durch die nachfolgende Gleichung (4) gegeben.

= V_s · I - Bu (4)

Der Wert der Be\\'eglichkeit μ, wie er in der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, entspricht recht genau dem Massenbeweglichkeits\vert· im Ladungsträgerm'aterial 1. Für eine gegebene Quellenspannung V , die eine genügend grosse den kritischen Wert E übersteigende Feldstärke erzeugt, von der später noch die Rede sein wird, kann die Empfindlichkeit

W des Fühlers durch die Wahl des Verhältnisses γ modifiziert werden. Es kann gezeigt werden, dass das Signal/Rauschverhältnis bei einem derartigen magnetischen Fühler annähernd proportional istij-J².

RA9-74-014 - 11 -

60984 8/0589

Aequivalente Ausdrücke für die obige Gleichung (4) sind:

V₀ = W R_hJB (5)

V₀ - W V_dB (6)

R IB

V = —-— Γ7Ί

^V 0 T ^L '^}

worin T die Dicke der Scheibe 1 bedeutet, R, ist gleich ρμ=™, was die Hall-Konstante ist, V, ist gleich der Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger, B steht für das Magnetfeld in Gauss, I für den Quellenstrom und W ist die Breite des Fühlers.

Die obige Gleichung (7) zeigt, dass die Fühlerausgangsspannung oder die Hall-Spannung umgekehrt proportional der Dicke der Halbleiterplatte 1 ist. Macht man eine solche Platte dünn, so müsste man daher pro Einheit des Feldes B eine grosse Hall-Spannung bekommen.

Einige andere Ausdrücke für die Fühlerausgangsspannung an der Sonde 4 sind folgende:

RA9-74-014 - 12 -

609848/0589

= BI · μ - R_s (8)

V = By -W- yP^R"¹ (9)

Die Gleichung (6) hat gezeigt, dass die Hall-Spannung oder die Ausgangsspannung proportional ist der Geschwindigkeit und nicht der Anzahl der Ladungsträger. Hierbei handelt es sich um einen wichtigen Punkt, der später noch genauer behandelt wird. Die obige Gleichung (8) zeigt, dass die Ausgangsspannung ausgedrückt ist durch den angelegten Strom und das Produkt von Trägerbeweglichkeit und spezifischem Flächenwiderstand R des Halbleiterkörpers im aktiven Bereich.

Die Gleichung (4) reflektiert den Umstand, dass die Ausgangsspannung durch die angelegte Spannung und die Trägerbeweglichkeit, zusammen mit der Magnetflussdichte und dem geometrischen Formverhältnis des Elementes ausgedrückt werden kann. Weder die Gleichung (8) noch die Gleichung (4) zeigen jedoch die innewohnenden Begrenzungen der Spannungsoder Stromwerte, die an das Halbleiterelement angelegt

RA9-74-014 - 13 -

609848/0589

werden können. Nach diesen Gleichungen könnte die Ausgangsspannung pro Einheit des angelegten Feldes durch Anlegen eines ausreichenden Stromes oder einer Spannung auf jeden gewünschten Wert geregelt werden, solange die im Halbleiterkörper erzeugte Hitze abgeleitet werden kann. Es müssen deshalb--auch die Grenzen gezeigt werden, die durch die im aktiven Bereich des Halbleiterkörpers entwickelte Stromdichte gezogen sind. Das ist der Zweck der Gleichung (9)·

Die Gleichung (9) ist als der praktischste Ausdruck anzusehen, da sie die Ausgangs- oder Hall-Spannung durch die Trägerbeweglichkeit μ, den spezifischen Flächenwiderstand R des Elementes, die Breite des Elementes W und die Leistungsdichte P, die sich im leitenden Bereich des Fühlerkörpers ergibt, ausdrückt. Anschliessend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, das in FET-Technik ausgeführt wird.

Zuerst müssen jedoch verschiedene Ueberlegungen angestellt werden. Am Anfang steht die durch die Gleichung (4) gezeigte Tatsache, dass die Ausgangsspannung proportional ist der Beweglichkeit μ der Ladungsträger. Es ist allgemein bekannt,

RA9-74-014 - 14 -

^: 609848/0589

dass bei Zunahme des an einen Halbleiterkörper angelegten elektrischen Feldes E die Beweglichkeit μ abnimmt. Die Gründe hierfür sind nicht vollständig bekannt. Als Beispiele für die zahlreichen Betrachtungen und Untersuchungen sind jedoch anschliessend einige Literaturstellen aufgeführt: Gibbons'· J.F. Abhandlung über "Carrier Drift Velocities in Silicon at High Electric Field Strengths", IEEE Transactions on Electron Devices, Ed-14, Vol. 37, Januar 1967, oder Merkel G. und Joseph B. und Cupcea N.Z. "An Accurate Large Signal MOS Transistor Model für Use in Computer Aided Design", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-19, Seiten 681 bis 690, Mai 1972, und Cobbold R.S.C. "Theory and Application of Field Effect Transistors", Wiley Interscience, Seiten 102 bis 105, New York, 1970. Siehe auch Caughey B.M. und Thomas R.E. "Carrier Mobilities in Silicon Empirically Related to Doping in Field", Proceedings of the IEEE Letters, Vol. 55, Seiten 2191 und 2193, Dezember 1967.

Zusammengefasst lehrt die Technik bisher, dass grössere Hall-Aus gangs spannungen erreicht werden durch Erhöhung der Beweglichkeit und dass die Erhöhung des elektrischen Feldes über dem Element diese Beweglichkeit und damit auch die HaIl-

RA9-74-014 - 15 -

609848/0 589

Ausgangsspannung herabsetzt. Bei der Verwendung von Silizium für das Hallelement mit hoher Empfindlichkeit, wie es in dem im ersten Abschnitt der Einleitung erwähnten Vortrag gezeigt ist, erhält man die besten Hall-Spannungen mit

2 Beweglichkeitsw^rerten in der Grössenordnung von 150 cm /Vs für die'zugrundegelegte Substanz. Bekanntlich können andere Substanzen wie Galliumarsenid eine wesentliche höhere Ladungsträgerbeweglichkeit aufweisen, die mit der gewöhnlichen Driftbeweglichkeit für Silizium und Germanium durchaus vergleichbar ist, so gezeigt in "The Physics of Semiconductors", von S.M. Sze, Seite 40, Herausgeber John Wiley and Sons, 1969. Wie dort auf Seite 45 gezeigt wird, muss die Hall-Beweglichkeit auch genau von der Driftbeweglichkeit der Ladungsträger unterschieden werden.

Sowohl die Hall-Beweglichkeit als auch die Ladungsträgeroder Driftbeweglichkeit nehmen aber bekanntlich mit zunehmendem elektrischen Feld ab, wie schon früher gesagt wurde, und daher gehen die Ansichten der Fachleute bisher, verglichen mit der vorliegenden Erfindung, genau in die entgegengesetzte Richtung. Laut diesem sollte man kein grosses elektrisches Feld benutzen, da es die Beweglichkeit herabsetzt und zu

RA9-74-014 - 16 -

609848/0589

2617A81

einer geringeren Hall-Ausgangsspannung führt. Die Schwierigkeiten liegen bisher in den Ausdrücken, mit denen auf theoretischer Basis ermittelt wurde, welche Hall-Ausgangsspannung vorliegen könnte.

Wie aus den obigen Ableitungen zu ersehen ist, ist das massgebende Kriterium die Trägergeschwindigkeit und nicht die Beweglichkeit. Erreicht man jedoch eine hohe Trägergeschwindigkeit nur durch Anlegen eines hohen elektrischen Feldes, so würde das zu verheerenden Folgen wegen Ueberhitzung führen, wie viele Forscher zweifellos unbeabsichtigt erfahren haben. Der spezifische Widerstand des Materials ist eine Funktion des Verunreinigungsgrades, die berücksichtigt werden muss, da sie ebenfalls die Träger- und die Hall-Beweglichkeit beeinflusst, wie auf Seite 40 des zuletzt genannten Dokuments gezeigt ist. Die obige Gleichung (9) tut das.

Die. bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung und alle Funktionsbeispiele, welche den bisher bekannten Grad der Leistungsfähigkeit überschreiten, erfordern daher bestimmte Mindestkriterien. Zuerst muss das Halbleitermaterial, dessen Art keine Rolle spielt, immerhin so gewählt werden,· dass ein

RA9-74-014 - 17 -

609848/0589

spezifischer Flächenwiderstand von ungefähr 500 Ω oder mehr erreicht wird. Dieser Widerstand wird erzielt durch die Wahl der Dicke der Halbleiterplatte und die Höhe der Verunreinigungskonzentration, wie dies in Fachkreisen bekannt ist. Verschiedene Verfahren zur Einstellung der Verunreinigungskonzentration sind ebenfalls bekannt. Das andere zu erfüllende Kriterium ist ein elektrisches Erregungsfeld in der Grössenordnung von wenigstens 500 Volt/cm, um die erforderlichen Trägergeschwindigkeiten zu erreichen und so die verbesserte Ausgangsspannung zu erzielen.

Die Kombination dieser Kriterien verlangt ein besonderes Element mit einzigartigen Betriebsverhältnissen, das ein bisher unbekanntes Ergebnis zeitigt, welch letzteres ausser-

dem im Widerspruch zu der allgemein anerkannten Ansicht über Hallelemente steht.

Im Diagramm der Fig. 4 ist die Ladungsträgerbeweglichkeit als eine Funktion des spezifischen Flächenwiderstandes aufgezeichnet. Die Verunreinigungskonzentration ist ebenfalls aufgezeichnet als Anzahl der Donatoratome pro Kubikzentimeter in der Kurve für N-leitendes Silizium. Daraus geht

RA9-74-014 - 18 -

609848/0589

hervor, dass der spezifische Widerstand und damit die Trägerbeweglichkeit um .so höher ist, je niedriger die Verunreinigungskonzentration ist.

Anhand der Gleichung (6) wird gezeigt, dass die Signalausgangsspannung proportional der Driftgesclwindigkeit V, ist. Fig. 6 zeigt den Einfluss des elektrischen Feldes oder der Trägergeschwindigkeit für verschiedene Halbleitermaterialien und für Elektronen und Defektelektronen (= Löcher).

4 Es ist klar, dass bei einem elektrischen Feld von 3 . 10 Volt/cm die Trägergeschwindigkeit sich der Sättigung nähert

. 7 und dass die Geschwindigkeit von 10 cm/sec. eigentlich unabhängig ist vom Material und vom Trägertyp (Defektelektronen und Elektronen). Aus der Gleichung (6) geht hervor,

dass ein elektrisches Feld von 3 · 10 Volt/cm erwünscht ist, und dass die Hall-Signalspannung im Grunde genommen unabhängig vom verwendeten Material oder der Art der Ladungsträger ist. Zur Erzielung dieses Feldes müssen die für diese Erfindung geltenden Kriterien mit Bezug auf den spezifischen Mindest-Flächenwiderstand der leitenden Platte in Ohm unbedingt beachtet werden. Aus der obigen Beschreibung geht hervor, dass die Zusammensetzung des Halbleitermaterials

RA9-74-014 --19 -

609848/0589

-ZO'

oder die Art der benutzten Ladungsträger zum Erzielen einer grossen Signalspannung unwesentlich ist, vorausgesetzt dass die Kombination des genannten Flächenwiderstandes und des einwirkenden elektrischen Feldes gleichzeitig erfüllt sind. Es ist wichtig zu wissen, dass die Kriterien sowohl für das elektrische Feld als auch für den spezifischen Flächenwiderstand erfüllt sein müssen, um ein funktionsfähiges Element zu erhalten, das nicht wegen übermässiger Leistungsbeanspruchung durchbrennt. Unterhalb dieser Grenzwerte kann zwar so ein Element funktionieren, damit werden jedoch nicht die verbesserten Betriebseigenschaften der vorliegenden Erfindung erreicht.

Im Zusammenhang mit Fig. 5 wird anschliessend ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel. der Erfindung beschrieben, das in FET-Technik und mit Steuerung des Verunreinigungsgrades und der Eindringtiefe durch Ionenimplantation ausgeführt ist. Die Technik der Ionen-Implantation zur Steuerung des Verunreinigungsgrades und der Eindringtiefe in Halbleitern ist allgemein bekannt und in den US-Patentschriften Nr. 3.341.754, '3.434.894 und 3.653.977 beschrieben. Da die Ionenimplantation nur eine Methode der Steuerung des Verunreinigungsgrades und

RA9-74-014 -.20 -

609848/0589

der Kanaltiefe in Halbleitern ist und viele andere Methoden ebenso bekannt sind, erübrigt sich hier eine detaillierte Beschreibung dieser Verfahren. Das Element muss lediglich in halbleitendem Material wie Silizium, Germanium oder Galliumarsenid mit einem Verunreinigungsgrad so ausgeführt sein, dass die Anzahl der Donatoratome pro Kubikzentimeter gemäss Darstellung in Fig. 4 im allgemeinen im Bereich unter

18
10 liegt, so dass man einen spezifischen Flächenwiderstand von mindestens 500 Ω erreicht.

In Fig. 5 ist eine bevorzugte Form der Erfindung gezeigt, die ähnlich aufgebaut ist wie das Element der Fig. 3. Fig. 5A zeigt eine Draufsicht auf zwei durch Ionenimplantation gebildete Halbleiterbereiche 6, die zwischen sich einen gemeinsamen unterteilenden Diffusionsbereich und Anschlussstreifen haben, der ein elektrischer Kontakt Cl des Fühlers ist. Die anderen Enden der genannten Halbleiterbereiche 6 werden durch Diffusionsstreifen abgeschlossen, welche die elektrischen Kontakte C2 und CZ bilden. Die Fühlersonden 4 sind an einer Kante der Implantationsbereiche oder Kanäle 6 angeordnet, so dass sie im wesentlichen die Längen L der eigentlichen Implantationsbereiche halbieren. Die gezeigten

RA9-74-014 * - 21 -

: 609848/058

Fühlersonden sind von der bevorzugten Art, bei denen ein schmaler Implantationsbereich aus dem Hauptkörper des Halbleitermaterials hervorragt, so dass bei Herstellung eines Diffusionskontaktes keine weiteren Verunreinigungen in den Hauptkörper des Halbleiters eingeführt werden. Andere Möglichkeiten zur Befestigung eines Anschlusses sind ebenfalls brauchbar .wie beispielsweise durch direkte physische Berührung mit einem Mikrokontakt, Verkittung bei niedriger Temperatur usw. Der Implantationsbereich mit dem kleinen Vorsprung 4, der als Sondenanschlusspunkt dient, wird während der Ionenimplantation mit einer Maske hergestellt, so dass die Geometrie des Implantationsbereiches ebenso genau beherrscht werden kann wie die Lage und Breite des anschliessenden Kontaktpunktes.

Der schraffierte Bereich in der Draufsicht der Fig. 5A ist der Implantationsbereich 6 auf einer Platte aus Halbleitermaterial 7 wie beispielsweise Silizium, in das Donatorionen wie Phosphor durch Beschuss mit hoher Energie eingebracht wurden. Die Kontaktbereiche Cl, C2, C3 und die Kontaktplättchen 5, welche der Verbindung mit den Fühlersonden 4 dienen, werden typisch durch Maskierung und anschliessende

RA9-74-014 -'22 -

609843/0589

2617A81

Diffusion hergestellt, bei der hohe Zahlen von Ladungsträgerdonatoren in begrenzte Bereiche des halbleitenden Substratmaterials eingeführt werden. Danach lässt man eine Siliziumdioxidschicht 8 auf der ganzen Oberfläche des Halbleiterkörpers mit den Implantationsbereichen aufwachsen oder niederschlagen. An den entsprechenden Stellen werden zur Befestigung elektrischer,Leiter Löcher durch die Siliziumdioxidschicht geätzt und Aluminiumkontaktstreifen über der Siliziumdioxidschicht niedergeschlagen und durch die verschiedenen geätzten Löcher hindurch geführt, um Kontakt mit den Punkten C2, Cl und C3 sowie mit den kleinen Sondenansätzen 4 herzustellen.

Fig. 5B zeigt zwecks besserer Einsicht einen Längsschnitt durch das Element von Fig. 5A. Die Implantationsbereiche 6 sind bis zu einer Tiefe X, eingebracht, die durch die Energie der Ionen in Elektronenvolt bestimmt wird, welche auf die Oberfläche des Siliziumsubstratmaterials 7 auftreffen. Das Material des Siliziumsubstrats hat ungefähr eine Konzentration von etwa 5 · 10 Akzeptoratomen. Die Diffusionsbereiche Cl, C2, C3 und die Kontaktplättchen 5 haben eine ungefähre Dona-

19
torenkonzentration von 2 · 10 Donatoren pro Kubikzentimeter,

RA9-74-Q14 -" 23 -

609848/0589

so dass sie Bereiche mit relativ hoher Leitfähigkeit darstellen. Eine Siliziumdioxidschicht 8 liegt über dem Implantationsbereich 6 und den Kontakten Cl bis C3 und 5, wie es im Querschnitt gezeigt ist. Löcher sind an den geeigneten Stellen so durchgeätzt, dass die Aluminiumkontaktstreifen 9 durch die Löcher hindurchragen und physisch mit den verschiedenen Kontaktbereichen in Berührung kommen können.

Die Kontaktbereiche der Sondenanschlüsse 4 sollten im allgemeinen so schmal wie möglich sein, da die Empfindlichkeit des Elementes proportion .1 zum Verhältnis des Kontaktbereiches zur Kanallänge L abnimmt. Die technischen Daten für ein typisches, bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Siliziumsubstr-t wären folgende:

Sübstrat-Verunreinigungskonzentration - ungefähr 5 · 10 Akzeptorstellen pro Kubikzentimeter,

Ionen-Implantationsmaterial - Phosphor als Elektronendonator, Implantationsdosierung - 150 Kiloelektronvolt Implantationsenergie bemessen für eine Dichte von et\v'a 2 · 10 Donatoratomen pro Quadratzentimeter,
Implantationstiefe - ungefähr 1800 Ä,

RA9-74-014 - 24 -

609848/0589

spezifischer Flächenwiderstand des Implantationsbereiches - ungefähr 10 kfl.

Die Ergebnisse mit einem solchen Element, bei dem die Abmessungen der Fühlerbereiche (Breite und Länge) und der Sonde gegeben sind, sind folgende: Für die Fühlerbereiche Breite von ungefähr 37 um, Länge von ungefähr 29 ym; für die Sondenanschlüsse 4 Breite ungefähr 2,5 ym, Länge ungefähr 2,5 ym; Versorgungsspannungen an den Kontakten C2 und C3 ungefähr 10 Volt; Ausgangspegel - plus oder minus 150 mV bei einem Erregerfeld von plus oder minus 750 Oersted senkrecht zur Oberfläche des Fühlers und geliefert von einem festen Magneten; Ausgangsempfindlichkeit - ungefähr 180 mV pro Oersted. Das ist ein äquivalentes Ausgangssignal von annähernd 180 mV pro Kilogauss, das in der Grössenordnung des 20fachen der durchschnittlichen Ausgangsempfindlichkeit eines herkömmlichen Hallelementes oder -fühlers mit "hoher Empfindlichkeit" liegt.

Hier sind verschiedene Beobachtungen angebracht. Zuerst ist es unwesentlich ob die Donatorionen oder -atome Defektelektronen (Löcher) oder Elektronen beisteuern, wie· aus

RA9-74-014 - 25 -

609848/0589

der oben erwähnten Schrift von Sze auf Seite 59 hervorgeht, wo die Trägergeschwindigkeit in cm/s bezogen auf das elektrische Feldpotential für Silizium, Germanium oder Galliumarsenid, für Elektronen und Defektelektronen gezeigt ist. Während einige Unterschiede bei relativ niedrigen Feldwerten auftreten, ist klar zu sehen, dass die Träger-

7 geschwindigkeit sich Werten von 1 · 10 cm/s sowohl für Elektronen als auch für Defektelektronen in all diesen Materialien und bei elektrischen Feldwerten im Bereich von 3 · 10 Volt/cm nähert. Bei niedrigeren Werten der elektrischen Feldstärke ist zwar noch ein Betrieb möglich, die Trägergeschwindigkeiten sind jedoch niedriger und die resultierende Empfindlichkeit ist niedriger. Die letztere wird dann vom Material und vom Trägertyp abhängig. Die Wirkung überschreitet trotzdem bei weitem das bei der bisherigen Technik mögliche, solange die kleinste elektrische Feldstärke wenigstens 500 Volt/cm und der kleinste spezifische Flächenwiderstand wenigstens 500 Ω beträgt. Es wäre zu beachten, dass das im obigen Beispiel erzeugte elektrische Feld, wo 10 Volt über einer Fühlerlänge von ungefähr 25 ym angelegt wurden, bereits in der Grössenordnung von 10 Volt/cm liegt, so dass Geschwindigkeiten der Ladungsträger mit der

RA9-74-014 - 26 -

609848/0589

resultierenden hohen Empfindlichkeit erreicht werden. Das

ist auch der Wert, bei dem nach dem Stand der Technik

bisher behauptet wird, dass die Beweglichkeit mit steigendem Feldpotential abzunehmen beginnt.

RA9-74-014 -. 27 -

. 6Ö98A8/0589

Claims

PATENTANSPRÜC _H_E

l· 1.\ Halleffekt-Bauelement, bestehend aus einem Hallplättchen mit an gegenüberliegenden Seiten angebrachten Elektroden zum Anlegen der den Steuerstrom liefernden Steuerspannungsquelle und mit Ha11anschlussen zur Erfassung der Hallspannung,

dadurch gekennzeichnet,

daß der das Hallplättchen (1) bildende Halbleiter einen Quadratflächenwiderstand von mindestens 500Ω besitzt, daß die Steuerspannungsquelle ein elektrisches Feld von mindestens 500 Volt/era im Hallplättchen (1) bereitstellt und daß bei einem ersten Hallanschluss (4) in der Mitte zwischen beiden Elektroden (2, 3) der zweite Hallanschluss zumindest von der geerdeten Elektrode (3) übernommen ist.

Halleffekt-Bauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

einen Quadratflächenwiderstand des Halbleiters mit einem zwischen 1 000 bis 100 000 Ω , vorzugsweise jedoch zwischen 5 000 und 20 000 Ω , liegenden Wert, durch eine elektrische Feldstärke im Hallplättchen (1) zwischen 1 500 bis 100 000 V/cm, insbesondere aber zwischen 3 000 und 30 000 V/cm, und durch einen erdsymmetrisch angelegten zweiten Hallanschluss

RA 974 014

609848/0589

3. Halleffekt-Bauelement nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der erste Hallanschluss an einem sich senkrecht zur elektrischen Feld-Richtung erstreckenden Vorsprung (4) des Hallplättchens (1) liegt.

4. Halleffekt-Bauelement nach Anspruch 1 bis Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß'im Anschluss an eine (3) der Elektroden (2, 3) ein zweites Hallplättchen (1) angeordnet ist, dessen gegenüberliegende Seite durch eine dritte Elektrode (2) begrenzt ist,- dass die so gebildete Mittelelektrode (3) auf Erdpotential liegt,- wohingegen die beiden Aussenelektroden (2) auf gleichem, vom Erdpotential unterschiedlichen Potential liegen, und daß die Hallspannung (V_Q) an den Vorsprüngen der beiden Hallplättchen (1) abgreifbar ist.

5. Halleffekt-Bauelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden Aussenelektroden (2, 3 bzw. 2, 2) durch eine|i Widerstand (R) mit Mittelabgriff überbrückt sind, dessen Mittelabgriff als einer der Hallanschlüsse bzw. als eine der Steuerspannungsklemmen (+V) ausgebildet ist.

6. Halleffekt-Bauelement nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

daß der das Hallplättchen (1) bildende Halbleiter einen

1 8

Störstellenanteil von weniger als 10 Donatoren oder Akzeptoren pro Kubikzentimter besitzt.

RA 974 014

609848/0589

, 30

Leerseite