分裂漏纳米硅薄膜晶体管磁敏器件制作及特性研究

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随着信息技术的高速发展,目前磁敏器件朝向小型化、集成化、网络化和智能化方向发展。因分裂漏MAGFET与CMOS工艺相兼容,可与信号处理电路集成化,国内外近年来开展了大量的研究工作,但传统分裂漏MAGFET以单晶硅作为沟道层。本文基于纳米硅薄膜具有高载流子迁移率等优异物理性质,给出以纳米硅薄膜作为沟道层的分裂漏纳米硅薄膜晶体管磁敏器件基本结构,该器件由一个源(S)和两个漏(D1、D2)构成。通过论述纳米硅薄膜晶体管工作原理,基于霍尔效应,本文给出分裂漏纳米硅薄膜晶体管工作原理。在此基础上,采用ATLAS软件建立仿真结构模型,分别研究纳米硅薄膜沟道形状、沟道长宽比L/W、漏端间隙d和源端宽度WS等因素对分裂漏纳米硅薄膜晶体管磁敏器件IDS-VDS特性和磁特性影响。仿真结果表明,当外加磁场B=0T时,相同工作条件下,漏源电流IDS1-VDS1特性和IDS2-VDS2特性重合,漏端IDS1和IDS2电流差值为零;当外加磁场B≠0T时,相同工作条件下,漏源电流IDS1-VDS1特性和IDS2-VDS2特性偏离,漏端IDS1和IDS2存在电流差值,且电流差值随外加磁场B的增强而增大;当B=0.5T时,在VGS=5.0V和VDS=4.0V条件下,仿真模型中纳米硅薄膜厚度为90nm、沟道形状为凸形、沟道长宽比L/W=80μm/160μm的分裂漏纳米晶硅薄膜晶体管磁敏器件电流相对磁灵敏度为7.37%/T。基于仿真分析结果,本文采用CMOS工艺在<100>晶向高阻单晶硅衬底上设计、制作分裂漏纳米硅薄膜晶体管磁敏器件芯片,并实现芯片封装。在室温条件下,采用BJ1790B型精密恒流恒压源、PSW80-13.5可编程开关直流电源、磁场发生器和HP34401A万用表等仪器分别研究纳米硅薄膜厚度(90nm和120nm)、沟道形状(凹形、凸形和矩形)和沟道长宽比(L/W=80μm/160μm、L/W=160μm/160μm、L/W=320μm/160μm和L/W=640μm/160μm)对分裂漏纳米硅薄膜晶体管磁敏器件特性影响。实验结果给出,相同工作条件下,纳米硅薄膜厚度为120nm的分裂漏纳米硅薄膜晶体管磁敏器件电压磁灵敏度比纳米硅薄膜厚度为90nm的分裂漏纳米硅薄膜晶体管磁敏器件高;相同工作条件下,沟道形状为凸形的分裂漏纳米硅薄膜晶体管磁敏器件电压磁灵敏度比沟道形状为矩形和凹形的分裂漏纳米硅薄膜晶体管磁敏器件电压磁灵敏度高;当VDS=5.0V时,薄膜厚度为120nm、沟道形状为凸形、沟道长宽比分别为L/W=80μm/160μm、L/W=160μm/160μm、L/W=320μm/160μm和L/W=640μm/160μm的分裂漏纳米硅薄膜晶体管磁敏器件的电压磁灵敏度分别为54.93mV/T、48.62mV/T、45.13mV/T和38.81mV/T,相应电流磁灵敏度分别为0.018mA/T、0.015mA/T、0.013mA/T和0.011mA/T。薄膜厚度为120nm、沟道形状为凸形、沟道长宽比为L/W=80μm/160μm的分裂漏纳米硅薄膜晶体管磁敏器件的电压磁灵敏度最高,其线性度为0.22%F.S,重复性为0.03%F.S,迟滞为0.02%F.S,准确度为0.23%F.S。
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