更寬帶隙的磁傳感器-量子阱霍爾傳感器

2017年11 月下旬，IQE 與卡迪夫大學的合資企業(yè)復合半導體中心從英國政府資金中籌集了超過 350,000 英鎊，用于開發(fā)具有基于 GaAs 和 GaN 材料的集成電子器件的超靈敏磁傳感器。

新 CS-MAGIC 項目獲得 InnovateUK 獎之際，行業(yè)分析師預測磁場傳感器市場將出現(xiàn)驚人增長。MarketsandMarkets 預測，到 2023 年，當今 30 億美元的全球市場將猛增至超過 50 億美元，復合年增長率為 8.77%。同樣，Technavio 預測從現(xiàn)在到 2020 年的復合年增長率為 10%。

目前，需求主要來自汽車行業(yè)，需要高度靈敏、穩(wěn)健的霍爾效應(yīng)傳感器，以在發(fā)動機控制管理、防抱死制動系統(tǒng)等更大的溫度范圍內(nèi)繪制越來越小的磁場。然而，航空航天和工業(yè)部門越來越需要傳感器來測量旋轉(zhuǎn)、速度和線性位置。

正如曼徹斯特大學半導體器件和材料教授、獲獎?wù)咧?Mohamed Missous 所說：“我們現(xiàn)在正在為比以往任何時候都更惡劣的環(huán)境開發(fā)傳感器。”

“當今市售的硅霍爾效應(yīng)集成電路達到 150oC 時，它們就會停止工作，因此由 III-V 族半導體制成的設(shè)備引起了極大的興趣，”他補充道。

此外，傳統(tǒng)的硅基設(shè)備還存在磁場靈敏度低、工作頻率和溫度范圍有限以及功耗高的問題。

因此，就 Missous 而言，他一直在開發(fā)基于 GaAs-InGaAs-AlGaAs 系統(tǒng)的量子阱霍爾 IC，還成立了英國的 Advanced Hall Sensors (AHS)，將他的 2DEG 霍爾傳感器推向市場。

器件使用分子束外延技術(shù)將薄膜沉積到 GaAs 晶片上，然后通過后續(xù)的光刻、蝕刻、退火和金屬蒸發(fā)步驟將其加工成霍爾傳感器，然后再進行切片和封裝。

至關(guān)重要的是，量子阱是通過在兩個較厚的 AlGaAs 層之間插入薄 InGaAs 薄膜來產(chǎn)生的。電子——以二維氣體或 2DEG 的形式——被限制在這個較薄的層內(nèi)，而不是在傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)傳感器中自由漫游，從而提高了電子特性。

事實上，基于硅的線性霍爾 IC 可以檢測到 10 Hz 帶寬內(nèi)低至 600 納特斯拉左右的磁場。但 AHS 已經(jīng)生產(chǎn)出基于量子阱霍爾 2DEG GaAs 的器件，可在 10 Hz 帶寬內(nèi)檢測低至 177 nT 的磁場。雖然以前的設(shè)備的最大截止頻率為 10 kHz，但寬帶隙版本將這個數(shù)字擴展到 200 kHz。

迄今為止，AHS 已經(jīng)出貨了超過 1500 萬個分立傳感器，但由于最新的資金，Missous 和他的公司現(xiàn)在打算將具有更寬動態(tài)范圍的單芯片傳感器商業(yè)化，這些傳感器可以在更惡劣的環(huán)境中運行。

“我們的全集成芯片將是一個單一的芯片，里面有量子阱霍爾效應(yīng)傳感器和所有驅(qū)動電子設(shè)備，”研究人員說。“這將是全新的；目前還沒有單芯片 GaAs 霍爾效應(yīng)傳感器?！?/p>

驅(qū)動電子設(shè)備也將基于 GaAs，這意味著整個芯片將更耐輻射，并且將在比現(xiàn)有設(shè)備更寬的溫度范圍內(nèi)運行。事實上，在溫度范圍上，Missous 的目標是使用單芯片實現(xiàn) -200oC 到 200oC，而今天的硅器件覆蓋 -50oC 到 150oC。

目前，AHS 正在與行業(yè)合作伙伴 TWI 和雷尼紹合作，開發(fā)基于 GaAs-InGaAs-AlGaAs 層的通用結(jié)構(gòu)。這應(yīng)該會在明年 4 月得到確認，到接下來的 11 月，封裝器件的采樣應(yīng)該正在進行中。

“我們希望生產(chǎn)在更高溫度范圍內(nèi)工作的通用 IC，一旦我們實現(xiàn)了這一目標，TWI 和雷尼紹將測試這些設(shè)備并提供性能反饋，”Missous 說。“我們依靠這些公司來做到這一點，以便我們可以根據(jù)他們的需要定制芯片?！?/p>

“我們不想要非常復雜的電路，但我們需要確保所有電子設(shè)備與傳感器同步，”他補充道?！霸撾娐穼⒃诰薮蟮臏囟确秶鷥?nèi)工作，而不會在這些范圍內(nèi)失去任何靈敏度或功能。”

提高標準

與此同時，在 CS-MAGIC 項目的第二部分，來自斯旺西大學電子系統(tǒng)設(shè)計中心的 Petar Igic 博士正在開發(fā)可稱為基于 GaN 的下一波磁傳感浪潮。

Igic 已經(jīng)制造了用于電源應(yīng)用的 GaN HEMT，但現(xiàn)在，憑借最新的 InnovateUK 資金，打算基于他的磁性 HEMT 概念開發(fā)分立傳感器?！拔覀兊哪繕耸情_發(fā)一種與現(xiàn)有 HEMT 技術(shù)完全兼容的傳感器，”他說。“我們不需要不同的起始材料或額外的加工步驟，但布局與 HEMT 不同，因此該設(shè)備對磁場敏感。”

至關(guān)重要的是，基于 GaAs 的傳感器可以在高達 220oC 的溫度下工作，但基于 GaN HEMT 結(jié)構(gòu)的傳感器可以在高達 400oC 左右的溫度下保持性能，正如 Igic 所說，這取決于“適當封裝和焊接的發(fā)展”。

目前，Igic 正致力于驗證這一概念并優(yōu)化設(shè)備布局，他希望這將在未來 12 個月內(nèi)實現(xiàn)。在此之后，他將尋求為特定應(yīng)用定制設(shè)備，并且還將與包裝公司合作

顯然，CS-MAGIC 的基于 GaAs 的霍爾傳感器比第二個基于 GaN 的器件更接近商業(yè)化。但 GaN 在惡劣環(huán)境應(yīng)用中的潛在性能提升是無可爭議的。

據(jù) Igic 稱，初步結(jié)果表明，基于 GaN 的傳感器可檢測低至 100 nT 的磁場。此外，設(shè)備靈敏度不會隨磁場和高溫而改變。

“我們無法在價格上擊敗硅，但這種 GaN 器件將用于航空航天和汽車應(yīng)用，因為它可以在非常高的溫度下工作并且對輻射不那么敏感，”Igic 強調(diào)說。“我們將不得不在標準制造工藝中實施該設(shè)備，但其獨特的賣點是，當 GaAs 停止工作時，它仍然如此?！?br />

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