Strona główna

Seria: Technologie Informacyjne


Data18.06.2016
Rozmiar22 Kb.

ZESZYTY NAUKOWE WYDZIAŁU ETI POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ

Nr 6

Seria: Technologie Informacyjne

2008




Marek Panek#, Wiesław Kordalski*, Beata Ściana#,
Iwona Zborowska-Lindert
# , Bogusław Boratyński#

*Katedra Systemów Mikroelektronicznych, Politechnika Gdańska,
#Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska

Modelowanie numeryczne nowego czujnika pola magnetycznego

Streszczenie

W pracy przedstawiono analizę numeryczną nowego czujnika pola magnetycznego, którego struktura różni się od znanych MOS MAGFET-ów horyzontalnym, a nie pionowym podziałem drenów. Analizowano wpływ rozmiarów kanału w dwudrenowej strukturze MESFET wykonanej z GaAs na zmiany prądu drenu wywołane polem magnetycznym. Dla wybranej topologii struktury wykonano serię dwuwymiarowych symulacji zjawisk transportu nośników ładunku w kanale tranzystora dla dwóch przypadków: braku i obecności pola magnetycznego. Pozwoliło to uzyskać zarówno stałoprądowe charakterystyki elementu jak i określić wpływ parametrów konstrukcyjnych tranzystora na jego czułość na pole magnetyczne.


1. Wstęp

Znane i opisane w literaturze czujniki pola magnetycznego oparte są na konstrukcji tranzystora MOSFET z indukowanym, wzbogacanym kanałem, czyli tzw. konstrukcje MAGFET (Magnetic-Field dependent Field Effect Transistor) [1]. Ich cechą szczególną jest pionowy podział drenów, a niewątpliwą zaletą kompatybilność zarówno konstrukcyjna, jak i technologiczna z bardzo dobrze opanowaną krzemową technologią planarną co umożliwia łatwe ich scalanie z kontrolno pomiarowymi układami wspomagającymi.

Proponowany, opisany wcześniej [2] czujnik MAGFET wykonany z arsenku galu wykorzystuje dużą ruchliwość elektronów w tym materiale oraz znaną konstrukcję tranzystora polowego z bramką Schottky’ego MESFET. Nowością jest zastosowanie kanału rozdzielonego poziomo położoną warstwą izolacyjną wykonywaną w procesie epitaksji i umożliwiającą rozdział prądu płynącego ze źródła w kierunku dwóch drenów.

W celu oszacowania czułości magnetycznej przyrządu przeprowadzono cykl symulacji numerycznych przy pomocy programu MINIMOS–NT (©1992–2004, Institute for Microelectronics, TU Vienna). Jest to program pozwalający na rozwiązanie metodą elementów skończonych, wykorzystując model dyfuzyjno – dryftowy, równań transportu nośników ładunku elektrycznego w dwuwymiarowych strukturach półprzewodnikowych, w obecności pola magnetycznego prostopadłego do przekroju przyrządu. Licencja udzielana jest imiennie na jedno stanowisko i umożliwia użycie programu w celach badawczych i edukacyjnych.

2. Struktura i warunki Symulacji

Na Rys.1 przedstawiono schematycznie strukturę docelową nowego typu czujnika pola magnetycznego. Jest to tranzystor MESFET z dwoma drenami (D1, D2) oddzielonymi horyzontalnie od siebie. Tranzystor może mieć jedną lub dwie bramki. W pokazanym przykładzie bramka pierwsza (G1) ma na celu sterować całkowitą gęstością prądu w kanale, natomiast druga (G2) ma na celu regulować rozdział prądów miedzy drenami tranzystora. Kanał wykonany jest metodą dwukrotnej epitaksji warstwy GaAs oddzielonej w części drenowej epitaksjalną warstwą izolacyjną AlAs. Można przypuszczać, że przyrząd taki, będzie wykazywał dużą czułością ze względu na pole magnetyczne.

W celu skrócenia cyklu obliczeń numerycznych do analizy wybrano dwie uproszczone struktury czujnika przedstawione na Rys.2. Są to obszary kanałów tranzystora z kontaktem źródła i dwoma kontaktami drenów. Wyniki symulacji przedstawione mogą być w postaci rozkładów gęstości przepływającego prądu, bądź też zmian wartości parametrów elektrycznych.


typ A. typ B.

Rys.1. Przekrój struktury czujnika pola magnetycznego GaAs MAGFET

Rys.2. Modelowane struktury kanałów tranzystora z odmiennym układem kontaktów.


Pole magnetyczne skierowane jest prostopadle do powierzchni przekroju i dla wszystkich obliczeń testowych ma założoną wartość 1T. „Głębokość” struktury, dla wszystkich obliczeń wynosi 10µm. Na Rys.3. przedstawiono przykładowe graficzne wyniki uzyskanych symulacji rozkładu gęstości prądu elektronowego.



typ A

typ B

Rys.3. Wynik modelowania rozkładu gęstości prądu w strukturach typu A oraz typu B.




3. Rezultaty symulacji

Badano czułość względną elementu zdefiniowaną jako:

g
dzie: IDk - prąd k-tego drenu, indeks górny 0 – brak pola magnetycznego,

indeks górny B – obecność pola magnetycznego o natężeniu 1T,

IS - prąd źródła (suma prądów wszystkich drenów)


Oprócz tego parametru, analizowano także czułość bezwzględną, czyli różnicę prądów drenów wynikającą ze zmiany rozpływu prądu pod wpływem pola magnetycznego. Określano wpływ rozmiarów geometrycznych kanału na powyższe parametry. Na Rys.4. pokazano wpływ grubości izolacji pomiędzy drenami, a na Rys.5. wpływ grubości kanału na wartość czułości dla struktury typu A. Rys.6. przedstawia asymetryczną odpowiedź czujnika (czułość prądowa) na zmianę zwrotu wektora indukcji magnetycznej.

Rys.4. Wpływ odległości między drenami na czułość względną dla struktury typu A

Rys.5. Wpływ grubości kanału na czułość względną dla struktury typu A

Rys.6. Różnice prądów drenów bez pola magnetycznego i z polem magnetycznym o natężeniu 1T oraz przeciwnym zwrocie wektora indukcji magnetycznej dla struktury typu-B

Dla struktury typu B wykonano także modelowanie charakterystyk wyjściowych i przejściowych czujnika, Rys.7 i Rys.8, przy czym bramka (złącze Schottky'ego) była umieszczona w połowie długości kanału i miała długość 1μm. Założona koncentracja elektronów w warstwie 2 1017 cm-3.

Rys.7 Charakterystyki wyjściowe struktury, typ B

Rys.8. Charakterystyki przejściowe struktury, typ B


4. Podsumowanie

Uzyskane rezultaty wskazują na możliwość osiągnięcia czułości względnej nowego czujnika pola magnetycznego GaAs MAGFET rzędu 8 % T-1 dla grubości kanału 0,5µm. Drogą optymalizacji struktury, a w szczególności wzajemnego rozmieszczenia kontaktów drenów i źródła można uzyskać dalszą poprawę czułości oraz odpowiedź czujnika zależną od zwrotu wektora indukcji magnetycznej.

podziękowanie

Praca wykonana i finansowana w ramach Grantu 3 T11B 066 30 MSZWiN oraz projektu statutowego 343400 Politechniki Wrocławskiej.

BIBLIOGRAFIA


  1. Baltes H. and Popovic R.: Integrated semiconductor magnetic field sensor, Proceedings of the IEEE, vol. 74, no. 8, pp.1107 1132, Aug. 1986.

  2. Kordalski W., Boratyński B., Zborowska-Lindert I, Panek M., Ściana B., Tłaczała M.: Czujnik pola magnetycznego typu MagFET”, Zgłoszenie patentowe P.381793 z dnia 20.02.2007r.


Numerical modeling of a new GaAs MAGFET sensor


Summary

2D simulation of a GaAs MAGFET was performed. An impact of the channel geometry, source and split-drain contacts configuration on the magnetic field sensitivity was investigated. Sensitivity of 8%T-1 was obtained, and its dependence on the magnetic flux direction was evaluated.





©snauka.pl 2016
wyślij wiadomość