[发明专利]一种基于氮化镓/铝镓氮异质结的磁场传感器

说明书

本发明提出的新型磁场传感器直接将磁敏感晶体管与电阻形成的差分放大电路集成在氮化镓/铝镓氮的高电子迁移率的异质结衬底上，将传感与放大部分集成，无需额外的传感器。其具有体积小，集成度高的优点。此外，由于本发明的磁场传感器建立在氮化硅/铝镓氮衬底上，高电子迁移率带来高灵敏度的优点，而宽禁带使得器件具有耐高温和环境干扰的特性。此外，本发明的磁场传感器还可以与其他功能部件，如射频模块等，共集成在同一衬底上，从而实现具有不同功能应用的系统。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种半导体磁场传感器。

背景技术

磁场探测器指的是可将环境中的磁场信息转换为电学信号输出的一类传感器件。在现代社会的生活和生产过程中，磁场信息占据了重要的作用。磁场探测器的应用非常广泛，可应用于电流传感，位移传感，磁存储器和导航等领域。目前，磁场传感器已经成为了信息技术发展中不可缺少的关键部件。而基于各种不同原理的磁场传感器被研发出以满足各种应用需求。

根据待测量磁场的大小，磁传感器可一般分为几种类型。如果目标磁场大于地球磁场(约为60μT)，则传感器不需要非常灵敏。而为了测量大于地磁噪声(约0.1nT)的地球噪场，需要灵敏度更高的传感器。为了测量低于地磁噪声的场，必须采用更灵敏的磁场传感器。这些传感器主要用于医疗和生物医学应用，例如MRI和分子标记等。磁场测量有很多种不同的方法，如霍尔效应传感器，磁晶体管，巨磁阻(GMR)磁力计，磁隧道结磁力计，磁光传感器，MEMS类型的传感器，搜索线圈磁场传感器和SQUID磁力计等。而其中与半导体芯片技术和工艺最兼容的常用磁传感器一般为霍尔效应传感器和磁晶体管等。传统的霍尔效应传感器属于被动传感器件，本身不具备任何信号放大的能力，必须外接额外的信号放大器，因而不利于单片集成。在磁晶体管传感器中，基于分裂漏极结构的磁敏感晶体管受到了广泛的关注。它利用磁场产生的洛伦兹力改变晶体管中的电子运动方向，从而在对称的分裂漏极中形成非平衡电流差值。分裂漏极结构的磁敏感晶体管与传统CMOS结构和工艺高度兼容，因此它可与后续的信号处理和转换电路集成在一起，形成单片集成式的传感器。然而目前分裂漏极磁敏晶体管大部分使用硅基衬底，易于受温度和电场等外界因数影响，且由于硅中迁移率较低，导致传感灵敏度较低。

发明内容

本发明的目的在于提出一种建立在氮化镓衬底上的集成式高灵敏磁场探测器。将分裂漏极磁敏感晶体管建立在氮化镓/铝镓氮的异质高电子迁移率衬底中，利用高电子迁移率增强传感灵敏度，并使用集成式的差分放大器结构，使得半导体磁场传感器具有灵敏度高和体积小的优点。此外，由于氮化镓材料的宽禁带特性，传感器具有良好的抗温度和电场等因素干扰的能力，适用于如电力传输电流传感等领域。

本发明提出了一种基于氮化镓/铝镓氮异质高电子迁移率衬底的集成式半导体磁场传感器电路，其特征在于，该传感器电路至少包括：第一直流电压源，接地端，第一输出端，第二输出端，第一磁敏感晶体管，第二磁敏感晶体管，以及第一电阻和第二电阻，其中：

所述第一电阻与所述第二电阻的一端均与所述第一直流电压源连接，所述第一电阻的另一端通过第一输出端与第一磁敏感晶体管的漏极相连，所述第二电阻的另一端通过第二输出端与第二磁敏感晶体管的漏极相连；

所述第一磁敏感晶体管与所述第二磁敏感晶体管共用栅极和源极，所述第一磁敏感晶体管和所述第二磁敏感晶体管的源极连接接地端。

所述磁场传感器电路通过经过所述第一电阻和所述第二电阻的电流不同，导致所述第一输出端与所述第二输出端输出的电压差信号来计算磁场方向及强度。

本发明还提出了一种基于氮化镓/铝镓氮异质高电子迁移率衬底的集成式半导体磁场传感器，其特征在于，该传感器包括：

衬底，

在衬底上形成的氮化镓缓冲/沟道层，

在所述氮化镓缓冲/沟道层上外延生长的铝镓氮层，