專利名稱：具有納米晶鐵鍺顆粒薄膜磁敏材料活性層的霍爾元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有納米晶鐵鍺顆粒薄膜磁敏材料活性層的霍爾元件。
背景技術(shù)：
霍爾元件是利用本身活性層材料的霍爾效應(yīng)測量磁場的一種磁傳感器件，由半導(dǎo)體單晶材料制成的活性層、電極及保護(hù)它們的封裝組成。目前，全世界對霍爾器件的年需求量在10億只以上，已在無刷電機(jī)、齒輪轉(zhuǎn)速檢測、過程控制中的無觸點(diǎn)開關(guān)、定位開關(guān)，汽車的安全裝置ABS(防抱死制動系統(tǒng))，汽車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火定時，電流電壓傳感器等上得到了廣泛的應(yīng)用。其特點(diǎn)是無觸點(diǎn)傳感，可靠性高，用以檢測電流電壓，無插入損耗，且實(shí)現(xiàn)輸入和輸出信號的完全隔離、無過載損壞等等。在磁性材料及測磁儀器的研究、地磁場圖的精確繪制、地質(zhì)勘探、航海、航空、航天等方面都有十分重要的用途。
目前的霍爾元件中的磁敏感的活性層材料一般都采用硅、銻化銦、砷化銦、砷化鉀等半導(dǎo)體材料，元件的尺度在亞毫米量級。而且，由于半導(dǎo)體材料的載流子的濃度、遷移率等特征參數(shù)隨溫度變化很大，使霍爾元件的工作溫度受到限制，例如，一般霍爾元件的工作溫度是-40℃到+150℃。如果要在更寬的溫度范圍內(nèi)，例如-250℃到+200℃工作，必須組合使用多種型號的霍爾元件，這就進(jìn)一步加大了霍爾元件的尺寸，也使元件成本大大增加。為克服半導(dǎo)體活性層材料體積大、成本高、制備工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，必須尋找一種具有與半導(dǎo)體材料相近的磁場靈敏度、工作溫度寬、體積小、制備簡單的替代材料。
A.B.Pakhomov等人[A.B.Pakhomov，X.Yan，B.Zhao.Giant Hall effect in percolatingferromagnetic granular metal-insulator films.Applied Physical Letters，1995，67(23)3497～3499]報道了Ni-SiO2等磁性金屬顆粒薄膜系統(tǒng)中霍爾效應(yīng)的巨大增強(qiáng)現(xiàn)象，在5K的溫度下，Ni-SiO2薄膜的反常霍爾電阻率ρxy高達(dá)160μΩcm，比相應(yīng)的純金屬材料高四個量級，接近半導(dǎo)體硅的數(shù)值，并把這一現(xiàn)象稱為巨霍爾效應(yīng)。隨后，人們先后在NiFe-SiO2、Fe-SiO2等顆粒薄膜系統(tǒng)中也發(fā)現(xiàn)了巨霍爾效應(yīng)。這一研究發(fā)現(xiàn)，為人們提供了除半導(dǎo)體材料以外的一種作為霍爾元件活性層的磁敏材料。
所謂鐵磁金屬顆粒薄膜材料是由納米尺度的鐵、鈷等磁性金屬隨即分布于二氧化硅等絕緣體，或硅、鍺等半導(dǎo)體母體中構(gòu)成的復(fù)合材料，材料的金屬顆粒尺度、金屬體積比、薄膜厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)可根據(jù)需要隨意控制，屬于典型的人工結(jié)構(gòu)納米功能材料。與半導(dǎo)體材料的正?；魻栃?yīng)不同，鐵磁金屬顆粒薄膜材料的霍爾效應(yīng)包含兩部分，其霍爾電阻率ρxy可以表示為ρxy＝R0[H+4πM(1-D)]+Rs4πM。式中第一項(xiàng)代表洛侖茲力作用于載流子上引起的正常霍爾效應(yīng)，D是退磁因子，該項(xiàng)與非磁性金屬或半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)機(jī)制相同；第二項(xiàng)表示由磁性散射引起的霍爾效應(yīng)，是磁性材料特有的屬性，被稱為反?；魻栃?yīng)。當(dāng)金屬體積百分比在0.45～0.60間時，鐵磁金屬顆粒薄膜的反?；魻栂禂?shù)接近半導(dǎo)體硅的數(shù)值，這就為顆粒薄膜在霍爾元件中的應(yīng)用提供了可能性。
磁性金屬顆粒薄膜的霍爾電阻RH可以表示為RH＝VH/i＝ρH/d＝(R0B+RsM)/d，可見，磁性顆粒薄膜中的霍爾電阻與磁化強(qiáng)度M密切相關(guān)，并與薄膜的厚度成反比。A.B.Pakhomov等[A.B.Pakhomov，X.Yan，B.Zhao.Giant Hall effect in percolating ferromagneticgranular metal-insulator films.Applied Physical Letters，1995，67(23)3497～3499]報道的厚度～1μm的Ni-SiO2的顆粒薄膜在金屬體積百分比x為0.45～0.60時，其最大的飽和霍爾電阻約為～2Ω，理論上講，當(dāng)薄膜厚度減小100倍，即為100時，其霍爾電阻可以達(dá)到～200Ω左右，遠(yuǎn)高于某些半導(dǎo)體硅或鍺霍爾傳感器的靈敏度。但是，在絕大多數(shù)磁性金屬顆粒薄膜中，隨著金屬體積比和薄膜厚度的降低，磁性顆粒在室溫區(qū)域出現(xiàn)超順磁現(xiàn)象，使薄膜的飽和磁化強(qiáng)度降低，抑制了霍爾電阻的增加，J.C.Denardin等[Thermoremanence andzero-field-cooled/field-cooled magnetization study of Cox(SiO2)1-xgranular films，Physical ReviewB，2002，65(6)054422/1～8]對這一現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)論述。因此，將鐵磁金屬的反?；魻栃?yīng)應(yīng)用于傳感器件材料，必須保證在厚度很小情況下，薄膜的磁化強(qiáng)度基本穩(wěn)定，這樣的薄膜才具有霍爾傳感器材料具備的較大數(shù)值的霍爾電阻。
我們[Joumal of Applied Physics 98(2005)p086105]制備了非晶的鐵—鍺顆粒薄膜材料，厚度為4.1納米的Fe0.67Ge0.33樣品的霍爾電阻靈敏度為82V/AT，是具有相同輸入電阻值的硅基霍爾傳感器的兩倍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有納米晶鐵鍺顆粒薄膜磁敏材料活性層的霍爾元件，具有納米晶鐵鍺顆粒薄膜磁敏材料活性層，不同于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，同時也不同于非晶結(jié)構(gòu)的納米晶的鐵—鍺顆粒薄膜材料，其霍爾電阻靈敏度高達(dá)125V/AT，工作溫度可以擴(kuò)展到-250℃到+200℃，并且具有更小的熱漂移、零磁場偏移。本發(fā)明制備簡單，成本低，靈敏度高、工作溫度范圍寬，器件尺寸小，因而應(yīng)用更為廣泛。
本發(fā)明提供的納米晶鐵鍺顆粒薄膜磁敏材料的通式為FexGe1-x，其中x為材料中鐵的金屬顆粒所占的體積百分比，0.45＜x＜0.60，優(yōu)選x＝0.52～0.58；薄膜厚度在4～8納米，優(yōu)選薄膜厚度在5納米。
本發(fā)明提供的霍爾元件是由在基片上形成的納米晶鐵鍺顆粒薄膜磁敏材料作為活性層、金屬電極層和保護(hù)層構(gòu)成，金屬電極層與活性層接觸，保護(hù)層直接覆蓋活性層；所述的基片是玻璃、石英、單晶硅或單晶砷化鉀。
所述的活性層是由通式為FexGe1-x的納米晶鐵鍺顆粒薄膜磁敏材料，其中x為鐵的金屬顆粒所占的體積百分比，0.45＜x＜0.60，薄膜厚度為4～8納米；優(yōu)選x＝0.52～0.58；所述的活性層是“十”字形。活性層的線度在0.3～1微米；所述的金屬電極層是鈦和金電極層；所述的保護(hù)層是二氧化硅保護(hù)層；所述的二氧化硅保護(hù)層的厚度為50納米。
所述的霍爾元件的制備方法是經(jīng)過下述步驟1)首先，用光刻法在基片上形成為了沉積鐵鍺薄膜的“十”字形圖案，如圖1(a)，圖中陰影部分未涂光刻膠，圖案中心正方形的邊長在0.3～1.0μm，中心正方形的四個邊上突出部分的長度為0.2μm；2)采用通用的超高真空對靶磁控濺射鍍膜機(jī)，在背底真空度優(yōu)于3×10-7Torr時，將高純度的氬氣通入真空室，氬氣流量為10sccm；
3)在真空度下降為3×10-4Torr下，將超高真空閘板閥的開啟度設(shè)定為20％；調(diào)整鐵和鍺兩個靶向中心位置傾角30度，鍺靶上設(shè)定為15瓦的射頻功率，鐵靶上設(shè)定為9瓦的直流功率，預(yù)濺射20～25分鐘；4)打開鐵靶、鍺靶和基片的擋板，鐵靶和鍺靶共同對著位于中心上方10～11厘米高度處的基片濺射成膜，基片以20～25轉(zhuǎn)/分鐘的速率均勻旋轉(zhuǎn)，并且設(shè)定濺射時間為2分鐘。
5)通過磁力轉(zhuǎn)軸將樣品送到副真空室，取出樣品，除去光刻膠；并用光刻法在基片上正方形鐵鍺薄膜的四個邊的外側(cè)形成為了沉積四個電極的矩形圖案，如圖1(b)，圖中陰影部分未涂光刻膠，每個電極圖案分別與正方形鐵鍺薄膜的四個邊有0.15微米的重疊部分。將樣品送入真空室，連續(xù)制備50納米后的鈦層和300納米厚的金層形成電極，鈦靶和金靶均采用直流濺射。
6)通過磁力轉(zhuǎn)軸將樣品送到副真空室，取出樣品，除去光刻膠；并用光刻法在基片上正方形鐵鍺薄膜的上方形成為了沉積保護(hù)層的正方形圖案，正方形的邊長在0.5～1.2μm，將鐵鍺薄膜完全覆蓋。將樣品送入真空室制備二氧化硅保護(hù)層，二氧化硅靶采用射頻濺射，利用計算機(jī)控制程序，設(shè)定濺射功率為200瓦，濺射時間為10分鐘。
本發(fā)明提供了一種以磁性顆粒薄膜為活性層，利用磁性材料反?；魻栃?yīng)原理工作的微型的霍爾元件，其工作溫度在-250℃到+200℃范圍內(nèi)，并具有較高靈敏度，霍爾元件的霍爾電阻靈敏度高達(dá)125VA/T以上，接近GaAs霍爾元件，是具有相同輸入電阻數(shù)值的商用的硅和鍺霍爾元件的3倍以上。而且，在-250℃到+200℃的工作溫度范圍內(nèi)，樣品的線性度優(yōu)于千分之三，熱漂移小于140ppm/K，零磁場偏移量在千分之五以內(nèi)。
本發(fā)明在-250℃到+200℃的溫度范圍內(nèi)，材料的靈敏度與溫度無關(guān)。
本發(fā)明納米晶鐵鍺顆粒薄膜材料不同于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，同時也不同于非晶結(jié)構(gòu)的納米晶的鐵—鍺顆粒薄膜材料，其霍爾電阻靈敏度高達(dá)125V/AT，工作溫度可以擴(kuò)展到-250℃到+200℃，并且具有更小的熱漂移、零磁場偏移。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料相比，本發(fā)明的材料制備工藝簡單，成本低。制成的霍爾元件體積小、制備簡單、靈敏度高、工作溫度范圍寬，器件尺寸小，因而在航空、航天、軍事等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是制備納米晶鐵鍺顆粒薄膜活性層和電極的圖案，圖中陰影部分不涂光刻膠。
圖2是納米晶鐵鍺顆粒薄膜在鐵的金屬顆粒所占的體積百分比x為0.58，厚度為5納米時的高分辨率透射電子顯微鏡照片。
圖3是厚度為5納米的Fe0.54Ge0.46鐵鍺顆粒薄膜樣品在開氏溫度為2～480K范圍內(nèi)的靈敏度與溫度關(guān)系。
圖4是厚度為5納米的Fe0.54Ge0.46鐵鍺顆粒薄膜樣品的線性度與溫度關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例11、活性層圖案的制備。用光刻法在石英基片上形成為了沉積鐵鍺薄膜的“十”字形圖案，如圖1(a)，圖中陰影部分未涂光刻膠，圖案中心正方形的邊長在1.0μm，中心正方形的四個邊上突出部分的長度為0.2μm。
2、室溫下通入氬氣。采用中國科學(xué)院沈陽科儀中心的DPS-III型超高真空對靶磁控濺射鍍膜機(jī)(自帶的計算機(jī)控制軟件)，在背底真空度優(yōu)于3×10-7Torr時，將高純度的氬氣通入真空室，氬氣流量為10sccm。待真空度下降為3×10-4Torr左右時，利用設(shè)備自帶的計算機(jī)控制軟件，將超高真空閘板閥的開啟度設(shè)定為20％。
3、預(yù)濺射。調(diào)整純度均為99.99％的鐵和鍺兩個靶向中心位置傾角30度左右，鍺靶上加以設(shè)定為15瓦的射頻功率，鐵靶上加以設(shè)定為10瓦的直流功率，預(yù)濺射20分鐘。
4、濺射成膜。打開石英基片的擋板，基片以20轉(zhuǎn)/分鐘的速率均勻旋轉(zhuǎn)，控制濺射時間在2分鐘，薄膜厚度為5納米。
5、制備電極。通過磁力轉(zhuǎn)軸將樣品送到副真空室，取出樣品，除去光刻膠；并用光刻法在基片上正方形鐵鍺薄膜的四個邊的外側(cè)形成為了沉積四個電極的矩形圖案，如圖1(b)，圖中陰影部分未涂光刻膠，每個電極圖案分別與正方形鐵鍺薄膜的四個邊有0.15微米的重疊部分。將樣品送入真空室，連續(xù)制備50納米后的鈦層和300納米厚的金層形成電極，鈦靶和金靶均采用直流濺射。
6、制備保護(hù)層。通過磁力轉(zhuǎn)軸將樣品送到副真空室，取出樣品，除去光刻膠；并用光刻法在基片上正方形鐵鍺薄膜的上方形成為了沉積保護(hù)層的正方形圖案，正方形的邊長在0.5～1.2μm，將鐵鍺薄膜完全覆蓋。將樣品送入真空室制備二氧化硅保護(hù)層，二氧化硅靶采用射頻濺射，利用計算機(jī)控制程序，設(shè)定濺射功率為200瓦，濺射時間為10分鐘，得到霍爾元件。
測試結(jié)果采用磁控濺射法制備了鐵的金屬顆粒所占的體積百分比x為0.58，厚度為5納米的納米晶鐵鍺顆粒薄膜，進(jìn)行高分辨率透射電子顯微鏡測試，結(jié)果見圖2。
從圖2中可以看出，鐵以6～8納米左右的多晶顆粒形式存在，鍺以非晶的形式存在于鐵顆粒間的暗的區(qū)域，組成Fe0.58Ge0.42。
實(shí)施例2鐵靶上加以設(shè)定為9瓦的直流功率，其它操作條件同實(shí)施例1制備出鐵的體積比x為0.54，厚度為5納米納米晶鐵鍺顆粒薄膜。
利用美國Quantum Design公司生產(chǎn)的物理性質(zhì)測量儀PPMS-9，在±2kOe的磁場范圍內(nèi)，對鐵的金屬顆粒所占的體積百分比x為0.54，厚度為5納米的納米晶鐵鍺顆粒薄膜，進(jìn)行了開氏溫度為2～480K的靈敏度測試，結(jié)果見圖3。
靈敏度是霍爾元件活性層的重要參數(shù)，可以表示為在單位磁場作用下，霍爾元件產(chǎn)生的電阻變化。靈敏度的大小反映了霍爾元件對外加磁場的檢測能力，靈敏度越高，傳感器對磁場信號的放大能力越強(qiáng)，所能探測的磁場的下限越小。從圖3可以看到，在50～400K的溫度范圍內(nèi)，薄膜的霍爾電阻靈敏度KH值在125V/AT左右，該數(shù)值與半導(dǎo)體GaAs霍爾傳感器磁靈敏度KH～120V/AT接近，并且基本不隨溫度變化。
實(shí)施例3利用美國Quantum Design公司生產(chǎn)的物理性質(zhì)測量儀PPMS-9，在±2kOe的磁場范圍內(nèi)，對實(shí)施例2制備的納米晶鐵鍺顆粒薄膜，在開氏溫度為2～400K的范圍內(nèi)進(jìn)行線性度測量，結(jié)果見圖4。
傳感器的線性度表征著器件對不同磁場的測量精度，在±2kOe的低磁場范圍內(nèi)，每個溫度下測得的薄膜樣品霍爾電阻與磁場位于同一直線上，電阻與磁場表現(xiàn)出很好的線性關(guān)系。為定量表示測量曲線的線性度，我們采用線性擬合的方法，得出不同溫度下的最大相對誤差，示于圖4中。在2-480K的測量溫度范圍內(nèi)，樣品的線性度優(yōu)于千分之三。
實(shí)施例4將實(shí)施例1得到的活性層的面積為1μm×1μm、厚度為5納米的霍爾元件，與具有相同輸入電阻數(shù)值的商用硅霍爾元件一起，同時在室溫條件下測量500奧斯特的磁場，本材料的霍爾電阻靈敏度為125VA/T，是商用硅霍爾傳感器高三倍，見表1。
實(shí)施例5將實(shí)施例1得到的活性層的面積為1μm×1μm、厚度為5納米的本發(fā)明的霍爾元件，與具有相同輸入電阻數(shù)值的商用硅霍爾元件一起，在美國Quantum Design公司生產(chǎn)的物理性質(zhì)測量儀PPMS-9提供的-250℃的低溫環(huán)境下測量1000奧斯特的磁場。商用硅霍爾傳感器的靈敏度產(chǎn)生較大變化，由室溫的42VA/T變化為-200℃的49VA/T，熱漂移大于800ppm/K；而本發(fā)明霍爾器件的霍爾電阻靈敏度為126VA/T，熱漂移小于40ppm/K，明顯優(yōu)于商用硅霍爾元件，見表1。
表1本發(fā)明的霍爾元件與商用硅霍爾元件性能對照

Fe-Ge納米晶顆粒薄膜作為霍爾元件材料，工作溫度在-250℃到+200℃的范圍內(nèi)，其耐低溫性能優(yōu)于商用的半導(dǎo)體霍爾傳感器，并且具有高靈敏度、低熱漂移、線性度好、零磁場偏移小等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、軍事等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種霍爾元件，其特征在于它是由在基片上形成的納米晶鐵鍺顆粒薄膜磁敏材料作為活性層、金屬電極層和保護(hù)層構(gòu)成，金屬電極層與活性層接觸，保護(hù)層直接覆蓋活性層；所述的基片是玻璃、石英、單晶硅或單晶砷化鉀；所述的活性層是由通式為FexGe1-x的納米晶鐵鍺顆粒薄膜磁敏材料，其中x為鐵的金屬顆粒所占的體積百分比，0.45＜x＜0.60，薄膜厚度為4～8納米。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾元件，其特征在于x＝0.52-0.58。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾元件，其特征在于所述的活性層是“十”字形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾元件，其特征在于活性層的線度在0.3～1.0微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾元件，其特征在于所述的金屬電極層是銅電極層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾元件，其特征在于所述的保護(hù)層是二氧化硅保護(hù)層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾元件，其特征在于所述的二氧化硅保護(hù)層的厚度為50納米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾元件，其特征在于所述的基片是石英。
9.權(quán)利要求1所述的霍爾元件的制備方法，其特征在于它是經(jīng)過下述步驟1)用光刻法在基片上形成為了沉積鐵鍺薄膜的“十”字形圖案，圖案中心正方形的邊長在0.3～1.0μm，中心正方形的四個邊上突出部分的長度為0.2μm；2)采用通用的超高真空對靶磁控濺射鍍膜機(jī)，在背底真空度優(yōu)于3×10-7Torr時，將高純度的氬氣通入真空室，氬氣流量為10sccm；3)在真空度下降為3×10-4Torr下，將超高真空閘板閥的開啟度設(shè)定為20％；調(diào)整鐵和鍺兩個靶向中心位置傾角30度，鍺靶上設(shè)定為15瓦的射頻功率，鐵靶上設(shè)定為9瓦的直流功率，預(yù)濺射20～25分鐘；4)打開鐵靶、鍺靶和基片的擋板，鐵靶和鍺靶共同對著位于中心上方10～11厘米高度處的基片濺射成膜，基片以20～25轉(zhuǎn)/分鐘的速率均勻旋轉(zhuǎn)，并且設(shè)定濺射時間為2分鐘；5)通過磁力轉(zhuǎn)軸將樣品送到副真空室，取出樣品，除去光刻膠；并用光刻法在基片上正方形鐵鍺薄膜的四個邊的外側(cè)形成為了沉積四個電極的矩形圖案，每個電極圖案分別與正方形鐵鍺薄膜的四個邊有0.15微米的重疊部分，將樣品送入真空室，連續(xù)制備50納米后的鈦層和300納米厚的金層形成電極，鈦靶和金靶均采用直流濺射；6)通過磁力轉(zhuǎn)軸將樣品送到副真空室，取出樣品，除去光刻膠；并用光刻法在基片上正方形鐵鍺薄膜的上方形成為了沉積保護(hù)層的正方形圖案，正方形的邊長在0.5～1.2μm，將鐵鍺薄膜完全覆蓋；將樣品送入真空室制備二氧化硅保護(hù)層，二氧化硅靶采用射頻濺射，設(shè)定濺射功率為200瓦，濺射時間為10分鐘。
10.權(quán)利要求1所述的霍爾元件的應(yīng)用，其特征在于它用于檢測開關(guān)、觸點(diǎn)開關(guān)、定位開關(guān)或電流電壓傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微型的霍爾元件，以通式為Fe
文檔編號G01R33/06GK1776929SQ200510122238
公開日2006年5月24日 申請日期2005年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月8日
發(fā)明者劉暉, 李志青 申請人:南開大學(xué)