KR20030045042A - 홀 효과 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 기판(12) 상에 증착된 얇은 반도체 재료층을 포함하는 다층 구조의 홀-효과 센서에 관한 것으로서, 상기 두 층들은 전기적으로 절연된다. 본 발명은 기판(12)이 n+타입 반도체 재료이고, 그 위에는 p- 타입 반도체 층(13)과 공핍 모드에서 n- 타입으로 도핑된 박막의 활성층(14)이 증착된다. 바람직하게는, 상기 활성층은 실리콘 탄화물 또는 갈륨 질화물층으로 구성된다.

Description

홀 효과 센서{Hall effect sensor}

홀 효과(Hall effect) 측정기의 일반적인 원리는 이미 잘 알려져 있다. 특히 반도체 소재의 기판 위에 역시 반도체 소재의 얇은 층을 배치하며, 또한 이 두 개의 층이 전기적으로 절연된 것을 특징으로 하는 다층적 구조로 이루어지는 측정기의 형태가 일반적이다.

그 한 예로서, 유럽 특허 출원 EP572298에서는 맨 아래의 절연 기판 위에 임의의 양자 통로가 있는 구조를 배치하고, 그 양자 통로 구조에 인접하여 두께가 250 옹스트롬 이하이며, 역치 한계 값 이하의 모든 케이블 공급 층들에 대해 어떤 집적적인 공급자 표면 밀도를 보유하는 케이블 공급 층을 가지며, 또한 그 케이블 공급층 상에는 두께가 200 옹스트롬을 넘고, 센서의 페르미(Fermi) 에너지 보다 큰 에너지 전도 대역을 가지는 절연 매립층을 가지는, 이중적 치수의 전자 가스형 홀 효과 센서를 제시하고 있다.

유럽 특허 출원 EP458466에서는 기판과, 그 기판 위에 배치된 반도체 금강석 재질의 활성층(active layer)을 가지는 홀 효과 장치를 설명하는데, 그 활성층(active layer)의 서로 마주보도록 배치된 한 쌍의 전극은 활성층 내부에 소정 방향으로 전하를 인도하고, 그 활성층의 다른 마주보는 측상에 배치된 다른 한 쌍의 전극은 일반적으로 전하의 방향에 대해 수직인 소정 방향으로 유도된 전압 또는 전압의 일부를 감지한다.

특허 출원 US5536953은 엷은 농도(Lightly doped)의 다양한 도핑 처리를 포함하는 넓은 대역의 반도체를 제시한다.

현재의 기술에 따른 센서들은 기능면에서 문제점을 드러낸다. 실제로 최신 기술에 따른 센서들은 200 ℃이상의 온도에서는 감도가 감소하거나 선형성이 소실되는 등 계측 성능이 차차 저하되는 모습을 보인다.

이러한 기능 저하는 장치의 구조(활성층 또는 기판의 전기 절연 결함) 그리고/또는 해당 활성층(전도 메카니즘의 변화)의 반응과 관련이 있다.

본 발명은 자기장의 정량적 측정을 위한 홀 측정기에 관한 것이다.

본 발명은 제한 없는 구현의 예를 묘사한 첨부 도면을 보면 더욱 잘 이해할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 센서를 위에서 내려다 본 모습

도 2는 상기 센서를 절단한 단면도

본 발명의 목적은 온도에 대한 감도가 약한, 특히 200 ℃ 이상의 작동 온도에 대해 250 ppm/℃ 미만의 적은 감도를 나타내며, 약 수백 볼트/암페어/테슬라의 높은 KH 홀 계수를 보이는 홀 효과 센서를 제안하는 것이다.

이를 위해 본 발명은 그 가장 일반적인 개념으로서, 절연, 반절연 또는 반도체 기판 위에 배치된 소정 반도체 소재의 얇은 활성층을 포함하는 다층적 구조를 이루는 홀 효과 센서를 다루고 있다. 이때 그 기판의 재질은 그 얇은 활성층의 재질과는 다른 종류여야 한다. 어떤 경우에 있어서도 활성층은 기판과 전기적으로 절연된다.

유리하게는, 이 활성층은, 예를 들면, 실리콘 산화물 또는 질화물 등의 절연체, 그리고 인산염 처리 절연체로 덮여있다. 이 활성층의 도핑 처리 비율은 센서가 배출 모드(도핑 처리의 완전한 이온화)에서 작동함에 따라 전 범위의 온도에 있어서 사용에 맞게 선택적으로 정한다.

첫 번째 구현 모드에 따르면, 활성층 그리고/또는 절연층 그리고/또는 기판은 6각형 타입의 실리콘 탄화물 층으로 이루어진다. 유리하게는, n- 활성층의 도핑 처리 비율은 cm³당 5·10¹⁵미만이다.

다른 측면에 따르면, 그 활성층은 입방체 타입의 실리콘 탄화물 층이다.

또 다른 측면에 따르면, 그 활성층은 GaN을 주성분으로 하는 질화물 층 그리고/또는 그것의 합금층이다.

또 다른 측면에 따르면 그 활성층은 실리콘을 비롯한 상기 물질들보다 대역(band)이 적은 제한적 대역의 물질로 구현된다.

배출 모드에 해당하는 전 범위의 온도는 이 경우 200 ℃ 미만의 낮은 온도로 바뀌며, 최대 온도가 200 ℃로 제한된다. 그 온도에서의 감도는 상기 경우들에서 보다 향상될 수 있으며 배출 모드와 활용에 해당하는 온도의 모든 간격에 대해 일정하지 않다.

특히, 기판과 활성층을 형성하는 재질은 동일한 성질을 가지지만 상이한 도핑 처리를 한다.

또 다른 실시예에 따르면, 활성층은 상이한 성질의 기판 상으로 옮길 수 있다. 그 활성층은 분자 점착에 의해 붙일 수 있다.

특수한 측면에 따르면, 본 발명은 반도체 소재의 기판 위에 배치된 반도체 소재의 얇은 활성층을 가지는데, 이 두 층들은 하나의 절연층에 의해 전기적으로 절연된다. 그 구조 전체는 그 기판이 n+ 타입의 반도체 재질이며 기판의 상부에 p- 타입의 반도체 층으로 이루어진 소정의 절연 물질이 놓이며, 얇은 활성층이 n- 타입인 것을 특징으로 한다.

어떤 특수한 구현 모드에 따르면, 본 발명에 따른 센서는 하나의 동체에서 두 쌍의 측면 브랜치가 뻗어나가고, 그 동체의 각 단부마다 하나의 전극을 가져 전기를 공급하며, 서로 마주보는 두 개의 측면 브랜치에도 전극이 있어서 홀 신호를 수신하고, 서로 인접한 두 개의 브랜치들은 저항을 측정하기 위한 전극을 가진다.

예시의 목적으로 구현한 예에 따른 홀 센서는 본체(1), 한 쌍의 제1 측면 브랜치(2, 3), 그리고 한 쌍의 제2 측면 브랜치(4, 5)를 가지는 일반적인 <<로렌의 십자가>> 형태를 띠며, 본체(1)의 중앙 축과 적어도 한 쌍(예를 들면 2 , 3)의 브랜치의 중앙 축이 만나 형성하는 면에 수직으로 교차하는 자기장을 측정한다.

브랜치들 중 한 쌍(2, 3)은 홀 신호를 수신하기 위한 전극(6, 7)을 가진다.

한편, 본체는 반대편 말단에 두 개의 전극(8, 9)을 가지는데 여기(excitation) 전압을 공급하거나 또는 전류의 공급을 위해 사용된다. 게다가 두 개의 인접한 제2 측면 브랜치(2, 4)는 구조물의 저항을 측정하기 위한 전극(6, 10)을 가지는데, 이것을 측정함으로써 홀 센서의 온도를 감소시킬 수 있다.

도 2는 횡방향 단면도이다. 본 발명의 제 1 구현 모드에 따른 홀 측정기는 킬로 오옴의 임피던스를 나타내는데, 그 전형적 수치는 약 10 킬로 오옴이며, 열 감도는 약 200 ppm/℃, KH 계수는 약 수백 볼트/암페어/테슬라이다.

이러한 성능을 발휘하기 위해서 본 발명에 따른 홀 측정기는 도핑 처리된 n+ 반도체로 구현된 기판(12)으로 구성된다. 그 반도체는 실리콘 탄화물(SiC) 타입, 바람직하게는 4H-SiC 타입인 단일 결정체이다.

이 기판 위에는 절연층(13)을 적층한다. 이 절연층은 도핑 처리된 p- 기판와 동일한 반도체 소재로 이루어진다.

이 절연층(13) 위에 도핑 처리된 n- 반도체로 이루어진 얇은 활성층(14)을 적층한다. 이 반도체는 실리콘 탄화물(SiC) 타입, 바람직하게는 4H-SiC 타입인 단일 결정체이다.

활성층 자체도 옵션으로서 절연층(15)과 인산염 처리 층(16), 예를 들면 실리콘 산화물(SiO₂) 을 도포할 수 있다.

본 발명에 따른 센서의 구조는 배출 모드에서 작동하면서 큰 간격을 두고 반도체들을 이용한다.

다른 실시예에 따르면, 활성층은 질화물의 형태로 배치될 수 있다(GaN 그리고/또는 합금). 기판은 그 상부에 완충층을 두는 사파이어일 수 있으며, 때로는 완충층을 가진 실리콘 탄화물일 수도 있고, 또는 질화물이거나 또는 완전히 다른 기판일 수 있다.

Claims (13)

1. 기판 위에 얇은 활성층을 가지며, 상기 기판(10)이 각각 p- 또는 n+ 타입의 절연, 반절연 또는 반도체 소재로 이루어지며(그 기판의 활성층을 절연하는 방식), 상기 활성층(14)이 배출 모드에서 n- 또는 p- 타입의 라이트리 도우프된(Lightly doped) 반도체 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 홀 효과 센서.
2. 제 1항에 있어서, 상기 n- 타입의 활성층(14)이 p-타입의 전기 절연층(13) 상단에 배치됨으로써 활성층(14)을 기판(12)으로부터 전기적으로 졀연하는 것을 특징으로 하는 홀 효과 센서.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 n- 타입의 활성층(14)이 열 산화물(15), 그리고 인산염 처리 절연체(16)에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는 홀 효과 센서.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 n- 활성층(14)의 도프 처리 비율이 cm³당 5·10¹⁵미만인 것을 특징으로 하는 홀 효과 센서.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층(14)이 6각형 타입의 실리콘 탄화물 층인 것을 특징으로 하는 홀 효과 센서.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연층이 p- 타입의 6각형 실리콘 탄화물 층인 것을 특징으로 하는 홀 효과 센서.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판(12)이 6각형 타입의 실리콘 탄화물 층인 것을 특징으로 하는 홀 효과 센서.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층(14)이 입방체 실리콘 탄화물 층인 것을 특징으로 하는 홀 효과 센서.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층(14)이 GaN을 주성분으로 하는 질산물 층 그리고/또는 그것의 합금층인 것을 특징으로 하는 홀 효과 센서.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층(14)이 실리콘 층인 것을 특징으로 하는 홀 효과 센서.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판(12)과 상기 절연층(13), 그리고 상기 활성층(14)을 형성하는 반도체 소재가 모두 동일한 종류인 것을 특징으로 하는 홀 효과 센서.
12. 제 1항에서 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층(14)이 어떤 지지대 (절연층 또는 완충층 그리고 기판) 위에 배치되며, 또한 상기 기판(12)과 상기 활성층이 상이한 성질을 가지는 것을 특징으로 하는 홀 효과 센서.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 동체에서 두 쌍의 측면 브랜치가 뻗어 나오고, 상기 동체가 각 말단에 전기 공급을 위한 전극을 각각 가지며, 두 개의 서로 마주보는 브랜치는 홀 신호를 수신하기 위한 전극을 가지며, 서로 인접한 두 개의 브랜치는 저항을 측정하기 위한 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 홀 효과 센서.